JP5043880B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、電界吸収型変調器集積分布帰還型レーザに関する。特に、長距離伝送用であり、高速通信可能であり、広い温度範囲で安定的に動作する電界吸収型変調器集積分布帰還型レーザを搭載して駆動する光送信モジュール、光送受信器の小型化、低コスト化、低消費電力化の実現に関する。 The present invention relates to an electroabsorption modulator integrated distributed feedback laser. In particular, optical transmission modules that are mounted for long-distance transmission, capable of high-speed communication, and operate stably in a wide temperature range. It relates to the realization of low cost and low power consumption.
近年のブロードバンドネットワークの飛躍的な発展に伴い、都市間を結ぶメトロ系光通信網では、１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の伝送速度といった高速通信が必要とされている。そのメトロ系光通信網では、ファイバ伝送距離が４０ｋｍもしくは８０ｋｍといった長距離伝送が求められている。加えて、同時に、光送受信器のさらなる小型化・低消費電力化が望まれている。 With the rapid development of broadband networks in recent years, high-speed communication such as a transmission speed of 10 Gbit / s or more is required in metro-based optical communication networks that connect cities. In the metro optical communication network, long-distance transmission with a fiber transmission distance of 40 km or 80 km is required. In addition, at the same time, further downsizing and low power consumption of optical transceivers are desired.
[従来技術１]
従来技術にかかる光送受信器には、温度調整器が備えられ、温度一定の条件下で、安定して光出力を得ている光送受信器がある。しかし、温度調整器の存在により、光送受信器の小型化は阻害されることとなり、また、温度調整器の電力消費により、光送受信器の低消費電力化も阻害されることになる。
[Prior art 1]
The optical transceiver according to the prior art is provided with a temperature regulator, and there is an optical transceiver that stably obtains an optical output under a constant temperature condition. However, the miniaturization of the optical transceiver is hindered by the presence of the temperature regulator, and the reduction in power consumption of the optical transceiver is hindered by the power consumption of the temperature regulator.
よって、光送受信器の小型化・低消費電力化には、この温度調整器を必要とせず、広い温度領域のすべてにおいて、安定的に光出力する光送受信器が有効である。温度調整器を必要としないレーザ素子は、アンクールドタイプとも呼ばれている。 Therefore, in order to reduce the size and power consumption of the optical transmitter / receiver, this temperature regulator is not required, and an optical transmitter / receiver that stably outputs light in all of a wide temperature range is effective. A laser element that does not require a temperature regulator is also called an uncooled type.
たとえば、従来技術に係る光学素子として、分布帰還型レーザ（以下、ＤＦＢ（Distributed FeedBack）レーザと記す）であって直接に変調を行う直接変調型ＤＦＢレーザがある。ここで、直接変調型とは、小さな光出力となる発振閾値電流付近である数ｍＡの電流をバイアスし、十分大きな光出力となる数十ｍＡの電流を、例えば１０Ｇｂｉｔ／ｓの変調速度で印加することによって、光のオン・オフを制御している。直接変調型ＤＦＢレーザでは、温度変化に強い材料の選択や、素子の放熱性の向上などにより、素子温度−５℃から８５℃程度までの広温度範囲で動作させることが出来る。よって、温度調節器を必要としないアンクールドタイプのレーザ素子として、同軸型パッケージを用いた小型なレーザモジュールに搭載することができ、小型化を実現できる。 For example, as an optical element according to the prior art, there is a direct modulation type DFB laser that is a distributed feedback laser (hereinafter referred to as a DFB (Distributed FeedBack) laser) and directly modulates. Here, the direct modulation type biases a current of several mA that is in the vicinity of an oscillation threshold current that provides a small optical output, and applies a current of several tens of mA that provides a sufficiently large optical output at a modulation rate of, for example, 10 Gbit / s. By doing so, the on / off of the light is controlled. The direct modulation type DFB laser can be operated in a wide temperature range from −5 ° C. to 85 ° C. by selecting a material resistant to temperature changes and improving the heat dissipation of the element. Therefore, as an uncooled laser element that does not require a temperature controller, it can be mounted on a small laser module using a coaxial package, and downsizing can be realized.
[従来技術２]
変調速度１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速光信号を４０ｋｍ以上伝送するためには、光のオン・オフを制御する変調器部が、レーザ部本体の外部に備えられる場合がある。その中でも、電界吸収型変調器（以下、ＥＡ（Electro-Absorption）変調器と記す）とＤＦＢレーザとを同一半導体基板上に集積したＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザは、光ファイバの伝送損失の小さい１５５０ｎｍ波長帯で、伝送距離４０ｋｍ以上の長距離伝送用レーザモジュールに用いられている。
[Prior art 2]
In order to transmit a high-speed optical signal having a modulation speed of 10 Gbit / s or more for 40 km or more, a modulator unit for controlling on / off of light may be provided outside the laser unit body. Among them, an EA modulator integrated DFB laser in which an electroabsorption modulator (hereinafter referred to as an EA (Electro-Absorption) modulator) and a DFB laser are integrated on the same semiconductor substrate is an optical fiber having a small transmission loss of 1550 nm. It is used in long-distance transmission laser modules with a transmission distance of 40 km or more in the wavelength band.
しかしながら、従来技術１に係る光学素子である直接変調型ＤＦＢレーザは、光ファイバへの分散耐力の指標であるチャーピングが大きいため、伝送距離はせいぜい１０ｋｍにとどまり、例えばファイバ分散が大きい１５５０ｎｍ波長帯で４０ｋｍ以上のシングルモードファイバを伝送する光送受信器に適用することは困難である。 However, the direct modulation type DFB laser which is an optical element according to the prior art 1 has a large chirping which is an index of dispersion tolerance to the optical fiber, so that the transmission distance is at most 10 km, for example, the 1550 nm wavelength band where the fiber dispersion is large. Therefore, it is difficult to apply to an optical transceiver that transmits a single mode fiber of 40 km or more.
これに対して、従来技術２に係る光学素子であるＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザは、直接変調型ＤＦＢレーザと比較して、チャーピングが小さいので、長距離伝送に適していると言える。
On the other hand, the EA modulator integrated DFB laser, which is an optical element according to the
ここで、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザについて、説明する。ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザとは、一定電流で駆動するＤＦＢレーザ部と、バイアス電圧と変調振幅電圧を印加して動作させるＥＡ変調器部とを、同一半導体基板上に集積させた光学素子である。多重量子井戸（以下、ＭＱＷ（Multi Quantum Well）と記す）に電界を印加すると、吸収端波長が長波長側にシフトするという量子閉じ込めシュタルク効果（以下、ＱＣＳＥ（Quantum Confined Stark Effect）と記す）が知られている。ＥＡ変調器は、このＱＣＳＥを利用して、その活性層を構成しているＭＱＷ層に、電界を印加することで、ＤＦＢレーザ部からの連続発振光のオン・オフを制御する変調器である。 Here, the EA modulator integrated DFB laser will be described. The EA modulator integrated DFB laser is an optical element in which a DFB laser unit driven at a constant current and an EA modulator unit operated by applying a bias voltage and a modulation amplitude voltage are integrated on the same semiconductor substrate. . When an electric field is applied to a multiple quantum well (hereinafter referred to as MQW (Multi Quantum Well)), the quantum confined Stark effect (hereinafter referred to as QCSE (Quantum Confined Stark Effect)) that the absorption edge wavelength shifts to the long wavelength side is generated. Are known. The EA modulator is a modulator that controls the on / off of continuous wave light from the DFB laser unit by applying an electric field to the MQW layer constituting the active layer using the QCSE. .
ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの光出力特性・変調特性・伝送特性などの特性は、備えられたＥＡ変調器部の特性に依るところも多い。そして、ＥＡ変調器部の特性を決めるパラメータの一つとして、デチューニング量ΔＨがある。ここで、デチューニング量ΔＨとは、ＥＡ変調器のフォトルミネッセンス波長ΛＥＡとＤＦＢレーザ部の発振波長λＤＦＢの差、すなわち、ΔＨ＝λＤＦＢ−ΛＥＡで定義される。 The characteristics of the EA modulator integrated DFB laser, such as the light output characteristics, modulation characteristics, and transmission characteristics, often depend on the characteristics of the EA modulator section provided. A detuning amount ΔH is one of the parameters that determine the characteristics of the EA modulator section. Here, the detuning amount ΔH is defined by the difference between the photoluminescence wavelength Λ EA of the EA modulator and the oscillation wavelength λ DFB of the DFB laser unit, that is, ΔH = λ DFB −Λ EA .
一般に、デチューニング量ΔＨが大きくなると、ＥＡ変調器の消光特性・チャープ特性が劣化する。逆に、デチューニング量ΔＨが小さくなると、ＥＡ変調器での光吸収量が増大するため高速変調特性が劣化する。デチューニング量ΔＨの大小は、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの温度と密接な関係がある。なぜなら、ＤＦＢレーザ部の発振波長λＤＦＢとＥＡ変調器のフォトルミネッセンス波長ΛＥＡの温度依存性は、それぞれ、約０．１ｎｍ／℃、約０．６ｎｍ／℃と、異なっているからである。前者は、温度上昇とともに半導体の屈折率が増大する効果により、後者は、温度上昇による熱膨張のためエネルギーバンドギャップが小さくなる効果によるものである。言い換えると、デチューニング量ΔＨは約−０．５ｎｍ／℃の温度依存性を有するため、低温時にはデチューニング量ΔＨが大きく、高温時にはデチューニング量ΔＨが小さいことになる。 In general, as the detuning amount ΔH increases, the extinction characteristics and chirp characteristics of the EA modulator deteriorate. On the contrary, when the detuning amount ΔH is small, the light absorption amount in the EA modulator is increased, so that the high-speed modulation characteristic is deteriorated. The magnitude of the detuning amount ΔH is closely related to the temperature of the EA modulator integrated DFB laser. This is because the temperature dependence of the oscillation wavelength λ DFB of the DFB laser unit and the photoluminescence wavelength Λ EA of the EA modulator are different from about 0.1 nm / ° C. and about 0.6 nm / ° C., respectively. The former is due to the effect of increasing the refractive index of the semiconductor as the temperature rises, and the latter is due to the effect of reducing the energy band gap due to thermal expansion due to the temperature rise. In other words, since the detuning amount ΔH has a temperature dependency of about −0.5 nm / ° C., the detuning amount ΔH is large at a low temperature, and the detuning amount ΔH is small at a high temperature.
ＥＡ変調器部の特性の１つである損失は、デチューニング量ΔＨに大きく依っている。ここで、損失には、電圧を印加しない状態、すなわち、無バイアス状態における光吸収による損失と、バイアス電圧と変調振幅電圧を印加した場合、すなわち、変調状態における損失、とがある。前者は基礎吸収による挿入損と、後者は変調損と、呼ばれている。 The loss, which is one of the characteristics of the EA modulator section, largely depends on the detuning amount ΔH. Here, the loss includes a state in which no voltage is applied, that is, a loss due to light absorption in a non-biased state, and a case in which a bias voltage and a modulation amplitude voltage are applied, that is, a loss in a modulated state. The former is called insertion loss due to fundamental absorption, and the latter is called modulation loss.
変調損は、ＥＡ変調器部のＭＱＷ層の構造やＥＡ変調器部の全長によって多少変わるが、およそ５〜６ｄＢ程度である。一方、基礎吸収による挿入損は、デチューニング量ΔＨによって大きく変動する。 The modulation loss varies depending on the structure of the MQW layer of the EA modulator section and the total length of the EA modulator section, but is about 5 to 6 dB. On the other hand, the insertion loss due to basic absorption varies greatly depending on the detuning amount ΔH.
ＥＡ変調器部を温度一定にして使用する場合、その駆動温度での損失と消光比とのバランスを考慮して、最適なデチューニング量ΔＨに設計する。一般には、デチューニング量ΔＨの設定を５０ｎｍ以上６０ｎｍ以下のいずれかの値にするのが一般的である。ところが、アンクールドタイプのＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザでは、例えば、−５℃以上８５℃以下の広い温度領域での使用が想定されている。そうなると、ある温度において最適なデチューニング量ΔＨであったとしても、デチューニング量ΔＨの温度依存性により、低温においては、デチューニング量ΔＨが大きくなり、損失は十分小さいものの消光比が不足する。逆に、高温においては、デチューニング量ΔＨが小さくなり、十分に大きな消光比は得られるが損失が大きくなってしまう。 When the EA modulator is used at a constant temperature, the optimum detuning amount ΔH is designed in consideration of the balance between the loss at the driving temperature and the extinction ratio. In general, the detuning amount ΔH is generally set to any value between 50 nm and 60 nm. However, the uncooled type EA modulator integrated DFB laser is assumed to be used in a wide temperature range of, for example, −5 ° C. to 85 ° C. Then, even if the detuning amount ΔH is optimum at a certain temperature, the detuning amount ΔH becomes large at low temperatures due to the temperature dependence of the detuning amount ΔH, and the extinction ratio is insufficient although the loss is sufficiently small. On the other hand, at a high temperature, the detuning amount ΔH becomes small and a sufficiently large extinction ratio can be obtained, but the loss becomes large.
よって、アンクールドタイプのＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザを用いて長距離伝送を行うためには、広い温度範囲においてＥＡ変調器部での損失を小さくし、かつ、大きな消光比を得ることが必要である。 Therefore, in order to perform long-distance transmission using an uncooled type EA modulator integrated DFB laser, it is necessary to reduce the loss in the EA modulator section and obtain a large extinction ratio in a wide temperature range. is there.
また、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの特性は、ＤＦＢレーザ部の特性に依るところも多いのは言うまでもない。ＤＦＢレーザ部には、広い温度範囲において、所定の駆動電流によって、大きな光出力が得られることが求められる。 It goes without saying that the characteristics of the EA modulator integrated DFB laser often depend on the characteristics of the DFB laser section. The DFB laser unit is required to obtain a large light output with a predetermined driving current in a wide temperature range.
ＤＦＢレーザ部では、高温において、ＤＦＢレーザ部を構成するＭＱＷ層内に注入されたキャリアが、熱的励起により高いエネルギーまで分布している。それゆえ、このキャリアがＭＱＷ層の外へオーバーフローしやすくなっており、これにより、発振に寄与できるキャリアの数が減少してしまう。その結果、光発振するための発振閾値電流が増大し、これに応じて、光出力が減少する。そのため、高温時において、大きな光出力が得られるよう、ＤＦＢレーザ部を構成するＭＱＷ層に含まれる障壁層の組成波長を小さくしてキャリアのオーバーフローを抑制したり、放熱性を向上させたりするなど、ＭＱＷ層の構造の最適化を行う必要がある。 In the DFB laser part, carriers injected into the MQW layer constituting the DFB laser part are distributed to high energy by thermal excitation at a high temperature. Therefore, it is easy for this carrier to overflow out of the MQW layer, thereby reducing the number of carriers that can contribute to oscillation. As a result, the oscillation threshold current for light oscillation increases, and the light output decreases accordingly. Therefore, in order to obtain a large optical output at high temperatures, the composition wavelength of the barrier layer included in the MQW layer constituting the DFB laser unit is reduced to suppress carrier overflow, improve heat dissipation, etc. It is necessary to optimize the structure of the MQW layer.
さらに、ＤＦＢレーザ部のデチューニング量ΔＧを適切に設定することが必要となる。ここで、デチューニング量ΔＧとは、ＤＦＢレーザ部の特性を決めるパラメータの一つであり、ＤＦＢレーザ部の発振波長λＤＦＢとＤＦＢレーザ部の利得ピーク波長λｇａｉｎとの差、すなわち、ΔＧ＝λＤＦＢ−λｇａｉｎで定義される。 Furthermore, it is necessary to appropriately set the detuning amount ΔG of the DFB laser unit. Here, the detuning amount ΔG is one of parameters that determine the characteristics of the DFB laser unit, and the difference between the oscillation wavelength λ DFB of the DFB laser unit and the gain peak wavelength λ gain of the DFB laser unit, that is, ΔG = It is defined by λ DFB -λ gain .
デチューニング量ΔＧは、ＥＡ変調器部におけるデチューニング量ΔＨと同様に、温度依存性を有している。ＤＦＢレーザ部の発振波長λＤＦＢの温度依存性は、前述の通り、約０．１ｎｍ／℃であり、また、ＤＦＢレーザ部の利得ピーク波長λｇａｉｎの温度依存性は、約０．６ｎｍ／℃であるため、デチューニング量ΔＧは、デチューニング量ΔＨとほぼ同様に、約−０．５ｎｍ／℃の温度依存性を有している。 Similar to the detuning amount ΔH in the EA modulator section, the detuning amount ΔG has temperature dependence. As described above, the temperature dependency of the oscillation wavelength λ DFB of the DFB laser unit is about 0.1 nm / ° C., and the temperature dependency of the gain peak wavelength λ gain of the DFB laser unit is about 0.6 nm / ° C. Therefore, the detuning amount ΔG has a temperature dependency of about −0.5 nm / ° C. in substantially the same manner as the detuning amount ΔH.
ＤＦＢレーザ部を温度一定にして使用する場合、その駆動温度における適合値にデチューニング量ΔＧを設計することで、利得が大きい条件のもとでレーザ発振が得られる。ここで、デチューニング量ΔＧの適合値とは、駆動温度において、例えば、−１０ｎｍ以上０ｎｍ以下の範囲である。ところが、アンクールドタイプのＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザでは、例えば、−５℃以上８５℃以下の広い温度領域での使用が想定されている。そうなると、ある温度においてデチューニング量ΔＧの適合値の範囲内で、当該レーザが設計されていたとしても、デチューニング量ΔＧの温度依存性により、他の温度において使用される場合、利得が非常に小さくなり、レーザ発振するための発振閾値電流が増大し、所望の特性が得られなくなる。また、デチューニング量ΔＧの変化に伴い、ＤＦＢレーザ部が２次の横モードを発振しやすくなったりもする。それゆえ、広い温度範囲において、安定的に発振するＤＦＢレーザ部の作製は困難なものとなっている。 When the DFB laser unit is used at a constant temperature, the laser oscillation can be obtained under the condition that the gain is large by designing the detuning amount ΔG to a suitable value at the driving temperature. Here, the suitable value of the detuning amount ΔG is, for example, a range of −10 nm to 0 nm at the driving temperature. However, the uncooled type EA modulator integrated DFB laser is assumed to be used in a wide temperature range of, for example, −5 ° C. to 85 ° C. Then, even if the laser is designed within the range of the suitable value of the detuning amount ΔG at a certain temperature, the gain is very high when used at other temperatures due to the temperature dependence of the detuning amount ΔG. The oscillation threshold current for laser oscillation increases and the desired characteristics cannot be obtained. Further, as the detuning amount ΔG changes, the DFB laser unit may easily oscillate the secondary transverse mode. Therefore, it is difficult to manufacture a DFB laser portion that oscillates stably over a wide temperature range.
したがって、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザは、アンクールドとしてではなく、レーザモジュールに、ペルチエなどの温度調整器部を備えることで、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの温度を一定に保って使用されることが一般的である。たとえば、２５℃から３５℃の温度領域の中の温度に保つレーザ素子をクールドタイプ、４０℃から６０℃の温度領域の中の温度に保つレーザ素子をセミクールドタイプなどと呼んでいる。最近では、クールドタイプのレーザ素子を用いた場合に比べて、温度調整器部の消費電力を１Ｗ程度低減できるセミクールドタイプのレーザ素子を用いた光送受信器の製品化が主流となっている。しかしながら、温度制御するペルチエなど温度調整器が必要なため、ボックス型のレーザモジュールに搭載することしかできず小型化が阻害され、また、温度調整器が電力消費するため、低消費電力化への隘路となっている。 Therefore, the EA modulator integrated DFB laser is not used as an uncooled, but is generally used by keeping the temperature of the EA modulator integrated DFB laser constant by providing a temperature adjusting unit such as Peltier in the laser module. Is. For example, a laser element maintained at a temperature in the temperature range of 25 ° C. to 35 ° C. is called a cooled type, and a laser element maintained at a temperature in the temperature range of 40 ° C. to 60 ° C. is called a semi-cooled type. Recently, the commercialization of optical transceivers using a semi-cooled type laser element that can reduce the power consumption of the temperature regulator unit by about 1 W compared to the case where a cooled type laser element is used has become mainstream. However, since a temperature regulator such as Peltier for temperature control is required, it can only be mounted on a box-type laser module, and the downsizing is hindered. Also, the temperature regulator consumes power, so the power consumption can be reduced. It is a Kushiro.
これに対して、さらなる小型・低消費電力化のためには、前述した直接変調型レーザと同様に、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザも−５℃から８５℃までアンクールドタイプとして動作することが望まれており、最近、開発が盛んに進められている。前述した通り、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの特性は、ＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＨの大きさに依っており、デチューニング量ΔＨは、素子温度によって大きく左右される。しかしながら、例えば、特許文献１に記載のあるように、ＥＡ変調器部の活性層を構成するＭＱＷ層に含まれている障壁層の組成波長の適合範囲を定めたり、広い温度領域において駆動させるのに適合するデチューニング量ΔＨの適合値を定めることにより、広い温度領域において、変調特性と伝送特性の向上がなされている。 On the other hand, for further miniaturization and lower power consumption, the EA modulator integrated DFB laser is expected to operate as an uncooled type from −5 ° C. to 85 ° C. as well as the direct modulation laser described above. Recently, development has been actively promoted. As described above, the characteristics of the EA modulator integrated DFB laser depend on the detuning amount ΔH of the EA modulator section, and the detuning amount ΔH is greatly influenced by the element temperature. However, for example, as described in Patent Document 1, an adaptive range of the composition wavelength of the barrier layer included in the MQW layer constituting the active layer of the EA modulator section is determined, or the driving is performed in a wide temperature range. By determining a suitable value of the detuning amount ΔH suitable for the above, modulation characteristics and transmission characteristics are improved in a wide temperature range.
また、その際、温度によってＥＡ変調器に印加する逆バイアスを変化させて、デチューニング量ΔＨの温度依存性を補償する駆動を行う。この手法を用いたアンクールドタイプのＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの公知例として、例えば、非特許文献１、あるいは、非特許文献２がある。
At that time, the reverse bias applied to the EA modulator is changed according to the temperature, and driving for compensating the temperature dependence of the detuning amount ΔH is performed. For example, Non-Patent Document 1 or
例えば、高温において、ＥＡ変調器部での基礎吸収による挿入損を３ｄＢ、変調損を６ｄＢ、レーザモジュール搭載の際のファイバ結合損を３ｄＢと仮定すると、１２０ｍＡ程度のレーザ駆動電流でＤＦＢレーザ部単体として＋１３ｄＢｍ（２０ｍＷ）の光出力が必要となるが、従来技術に係るアンクールドタイプのＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザにおいては、そのため、例えば、ＸＦＰ（ＩＲ）の光出力規格である０ｄＢｍを、広い温度領域においてすべて満足するには至っていない。 For example, assuming that the insertion loss due to the fundamental absorption in the EA modulator section is 3 dB, the modulation loss is 6 dB, and the fiber coupling loss when the laser module is mounted is 3 dB at a high temperature, the DFB laser section alone with a laser drive current of about 120 mA +13 dBm (20 mW) optical output is required, however, in the uncooled type EA modulator integrated DFB laser according to the prior art, for example, an XFP (IR) optical output standard of 0 dBm is set to a wide temperature range. Not all are satisfied in the area.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、高速で長距離伝送が可能なアンクールドタイプのＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an uncooled type EA modulator integrated DFB laser capable of high-speed and long-distance transmission.
（１）本発明に係るレーザ素子は、分布帰還型レーザ部と、該レーザ部の出力側に配置される電界吸収型変調器部と、が同一基板上に形成されるレーザ素子であって、前記変調器部は、インジウムガリウムアルミニウム砒素を含む量子井戸層と、該量子井戸層の両側部に隣接して配置される半絶縁半導体からなる埋め込み層と、を含み、前記埋め込み層は、不純物としてルテニウムが添加される、ことを特徴とし、本発明は、当該レーザ素子の製造方法であって、所定の温度において、レーザ光の発振波長と利得ピーク波長の差がそれぞれ異なる複数の前記レーザ部それぞれについて、所定の温度領域の最低温度及び最高温度における発振閾値電流を測定するステップと、複数の前記レーザ部それぞれについて、前記最低温度における発振スペクトルを測定するステップと、前記最低温度において、前記発振閾値電流と前記発振スペクトルに基づいて、所定の発振波長に対する前記利得ピーク波長の下限値を求めるステップと、前記最高温度において、前記発振閾値電流に基づいて、前記所定の発振波長に対する前記利得ピーク波長の上限値を求めるステップと、所定の温度において、前記レーザ部のレーザ光の発振波長と前記変調器部のフォトルミネッセンス波長の差がそれぞれ異なる複数の前記変調器部それぞれについて、前記最低温度における動的消光比を測定するステップと、複数の前記変調器部それぞれについて、前記最高温度における基礎吸収による挿入損を測定するステップと、前記動的消光比の値が、所定の値以上となる、前記所定の発振波長に対する前記フォトルミネッセンス波長の下限値を求めるステップと、前記挿入損の値が、所定の値以下となる、前記所定の発振波長に対する前記フォトルミネッセンス波長の上限値を求めるステップと、前記上限値と前記下限値を満たす前記利得ピーク波長となるよう、前記レーザ部を形成するステップと、前記上限値と前記下限値を満たす前記フォトルミネッセンス波長となるよう、前記変調器部を形成するステップと、を含んでいる。 (1) A laser element according to the present invention is a laser element in which a distributed feedback laser part and an electroabsorption modulator part arranged on the output side of the laser part are formed on the same substrate, The modulator portion includes a quantum well layer containing indium gallium aluminum arsenide, and a buried layer made of a semi-insulating semiconductor disposed adjacent to both sides of the quantum well layer, and the buried layer is used as an impurity. The present invention is characterized in that ruthenium is added, and the present invention is a method of manufacturing the laser element, wherein each of the plurality of laser units has a difference between the oscillation wavelength of the laser beam and the gain peak wavelength at a predetermined temperature. Measuring an oscillation threshold current at a minimum temperature and a maximum temperature in a predetermined temperature region, and for each of the plurality of laser units, an oscillation scan at the minimum temperature. Measuring a spectrum, obtaining a lower limit value of the gain peak wavelength with respect to a predetermined oscillation wavelength based on the oscillation threshold current and the oscillation spectrum at the lowest temperature, and at the highest temperature, the oscillation threshold current. And determining the upper limit value of the gain peak wavelength with respect to the predetermined oscillation wavelength, and the difference between the oscillation wavelength of the laser beam of the laser unit and the photoluminescence wavelength of the modulator unit at a predetermined temperature, respectively. Measuring a dynamic extinction ratio at the lowest temperature for each of the plurality of modulator sections; measuring an insertion loss due to basic absorption at the highest temperature for each of the plurality of modulator sections; The photo with respect to the predetermined oscillation wavelength, where the extinction ratio is equal to or greater than a predetermined value Obtaining a lower limit value of the minescence wavelength, obtaining an upper limit value of the photoluminescence wavelength for the predetermined oscillation wavelength, wherein the value of the insertion loss is not more than a predetermined value, and calculating the upper limit value and the lower limit value. Forming the laser part so as to satisfy the gain peak wavelength to be satisfied, and forming the modulator part so as to satisfy the photoluminescence wavelength satisfying the upper limit value and the lower limit value.
（２）本発明に係るレーザ素子は、分布帰還型レーザ部と、該レーザ部の出力側に配置される電界吸収型変調器部と、が同一基板上に形成されるレーザ素子であって、前記変調器部は、インジウムガリウムアルミニウム砒素を含む量子井戸層を含み、前記量子井戸層の上方にリッジ構造が配置される、ことを特徴とし、本発明は、当該レーザ素子の製造方法であって、所定の温度において、レーザ光の発振波長と利得ピーク波長の差がそれぞれ異なる複数の前記レーザ部それぞれについて、所定の温度領域の最低温度及び最高温度における発振閾値電流を測定するステップと、複数の前記レーザ部それぞれについて、前記最低温度における発振スペクトルを測定するステップと、前記最低温度において、前記発振閾値電流と前記発振スペクトルに基づいて、所定の発振波長に対する前記利得ピーク波長の下限値を求めるステップと、前記最高温度において、前記発振閾値電流に基づいて、前記所定の発振波長に対する前記利得ピーク波長の上限値を求めるステップと、所定の温度において、前記レーザ部のレーザ光の発振波長と前記変調器部のフォトルミネッセンス波長の差がそれぞれ異なる複数の前記変調器部それぞれについて、前記最低温度における動的消光比を測定するステップと、複数の前記変調器部それぞれについて、前記最高温度における基礎吸収による挿入損を測定するステップと、前記動的消光比の値が、所定の値以上となる、前記所定の発振波長に対する前記フォトルミネッセンス波長の下限値を求めるステップと、前記挿入損の値が、所定の値以下となる、前記所定の発振波長に対する前記フォトルミネッセンス波長の上限値を求めるステップと、前記上限値と前記下限値を満たす前記利得ピーク波長となるよう、前記レーザ部を形成するステップと、前記上限値と前記下限値を満たす前記フォトルミネッセンス波長となるよう、前記変調器部を形成するステップと、を含んでいる。 (2) A laser element according to the present invention is a laser element in which a distributed feedback laser part and an electroabsorption modulator part arranged on the output side of the laser part are formed on the same substrate, The modulator section includes a quantum well layer containing indium gallium aluminum arsenide, and a ridge structure is disposed above the quantum well layer, and the present invention is a method of manufacturing the laser device, Measuring a threshold current at a minimum temperature and a maximum temperature in a predetermined temperature range for each of the plurality of laser units having different differences between the oscillation wavelength of laser light and the gain peak wavelength at a predetermined temperature; and Measuring an oscillation spectrum at the lowest temperature for each of the laser units; and at the lowest temperature, the oscillation threshold current and the oscillation spectrum. Obtaining a lower limit value of the gain peak wavelength with respect to a predetermined oscillation wavelength, and obtaining an upper limit value of the gain peak wavelength with respect to the predetermined oscillation wavelength based on the oscillation threshold current at the maximum temperature. And measuring the dynamic extinction ratio at the lowest temperature for each of the plurality of modulator units, each having a difference between the oscillation wavelength of the laser beam of the laser unit and the photoluminescence wavelength of the modulator unit at a predetermined temperature. A step of measuring an insertion loss due to fundamental absorption at the maximum temperature for each of the plurality of modulator units, and a value of the dynamic extinction ratio equal to or greater than a predetermined value. A step of obtaining a lower limit value of the photoluminescence wavelength, and the value of the insertion loss is equal to or less than a predetermined value. Obtaining an upper limit value of the photoluminescence wavelength with respect to a predetermined oscillation wavelength, forming the laser part so that the gain peak wavelength satisfies the upper limit value and the lower limit value, and the upper limit value and the lower limit value. Forming the modulator section so as to satisfy the photoluminescence wavelength satisfying the following condition.
（３）上記（１）及び（２）のいずれかに記載のレーザ素子の製造方法によって製造されるレーザ素子。 (3) A laser device manufactured by the method for manufacturing a laser device according to any one of (1) and (2).
（４）本発明に係るレーザ素子は、分布帰還型レーザ部と、該レーザ部の出力側に配置される電界吸収型変調器部と、が同一基板上に形成されるレーザ素子であって、前記変調器部は、インジウムガリウムアルミニウム砒素を含む量子井戸層と、該量子井戸層の両側部に隣接して配置される半絶縁半導体からなる埋め込み層と、を含み、前記埋め込み層は、不純物としてルテニウムが添加され、２５℃における前記レーザ部の発振波長が１４６０ｎｍ以上１６３０ｎｍ以下のいずれかであって、２５℃における前記レーザ部の利得ピーク波長の上限値が、２５℃における前記発振波長より１０ｎｍ短く、２５℃における前記利得ピーク波長の下限値が、２５℃における前記発振波長より２５ｎｍ短く、２５℃における前記変調器部のフォトルミネッセンス波長の上限値が、２５℃における前記発振波長より８０ｎｍ短く、２５℃における前記フォトルミネッセンス波長の下限値が、２５℃における前記発振波長より１００ｎｍ短い、ことを特徴とする。 (4) A laser element according to the present invention is a laser element in which a distributed feedback laser part and an electroabsorption modulator part arranged on the output side of the laser part are formed on the same substrate, The modulator portion includes a quantum well layer containing indium gallium aluminum arsenide, and a buried layer made of a semi-insulating semiconductor disposed adjacent to both sides of the quantum well layer, and the buried layer is used as an impurity. Ruthenium is added, and the oscillation wavelength of the laser part at 25 ° C. is any of 1460 nm to 1630 nm, and the upper limit of the gain peak wavelength of the laser part at 25 ° C. is 10 nm shorter than the oscillation wavelength at 25 ° C. The lower limit of the gain peak wavelength at 25 ° C. is 25 nm shorter than the oscillation wavelength at 25 ° C., and the photons of the modulator section at 25 ° C. Upper limit of Nessensu wavelength, 80 nm shorter than the oscillation wavelength at 25 ° C., the lower limit value of the photoluminescence wavelength in 25 ° C., wherein the 100nm shorter than the oscillation wavelength, it at 25 ° C..
（５）本発明に係るレーザ素子は、分布帰還型レーザ部と、該レーザ部の出力側に配置される電界吸収型変調器部と、が同一基板上に形成されるレーザ素子であって、前記変調器部は、インジウムガリウムアルミニウム砒素を含む量子井戸層を含み、前記量子井戸層の上方にリッジ構造が配置され、２５℃における前記レーザ部の発振波長が１４６０ｎｍ以上１６３０ｎｍ以下のいずれかであって、２５℃における前記レーザ部の利得ピーク波長の上限値が、２５℃における前記発振波長より１０ｎｍ短く、２５℃における前記利得ピーク波長の下限値が、２５℃における前記発振波長より２５ｎｍ短く、２５℃における前記変調器部のフォトルミネッセンス波長の上限値が、２５℃における前記発振波長より８０ｎｍ短く、２５℃における前記フォトルミネッセンス波長の下限値が、２５℃における前記発振波長より１００ｎｍ短い、ことを特徴とする。 (5) A laser element according to the present invention is a laser element in which a distributed feedback laser part and an electroabsorption modulator part arranged on the output side of the laser part are formed on the same substrate, The modulator section includes a quantum well layer containing indium gallium aluminum arsenide, a ridge structure is disposed above the quantum well layer, and an oscillation wavelength of the laser section at 25 ° C. is any one of 1460 nm to 1630 nm. Thus, the upper limit of the gain peak wavelength of the laser part at 25 ° C. is 10 nm shorter than the oscillation wavelength at 25 ° C., and the lower limit of the gain peak wavelength at 25 ° C. is 25 nm shorter than the oscillation wavelength at 25 ° C. The upper limit of the photoluminescence wavelength of the modulator section at 25 ° C. is 80 nm shorter than the oscillation wavelength at 25 ° C. The lower limit of the serial photoluminescence wavelength, and wherein the 100nm shorter, it than the oscillation wavelength at 25 ° C..
（６）上記（３）乃至（５）のいずれかに記載のレーザ素子を備える、同軸型レーザモジュール。 (6) A coaxial laser module comprising the laser element according to any one of (3) to (5) above.
（７）上記（６）に記載の同軸型レーザモジュールを備える、ＸＦＰ光送受信器。 (7) An XFP optical transceiver including the coaxial laser module according to (6).
（８）上記（６）に記載の同軸型レーザモジュールを備える、ＳＦＰ＋光送受信器。 (8) An SFP + optical transceiver including the coaxial laser module according to (6).
本発明を用いることによって、長距離伝送が可能なアンクールドタイプのＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ素子が実現できる。 By using the present invention, an uncooled type EA modulator integrated DFB laser device capable of long-distance transmission can be realized.
以下に本発明に関する具体的な実施形態を詳細に説明する。 Specific embodiments relating to the present invention will be described in detail below.
(第１の実施形態)
第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザは、波長帯が１５５０ｎｍであり、伝送速度が１０．７Ｇｂｉｔ／ｓである４０ｋｍ伝送用の光送受信器に搭載されるレーザである。温度変調器を必要としないアンクールドタイプのものであり、使用可能温度領域は、−５℃以上８５℃以下である。当該ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザは、後述する製造方法により、ＥＡ変調器部とＤＦＢレーザ部が同一基板上に形成される。
(First embodiment)
The EA modulator integrated DFB laser according to the first embodiment is a laser mounted on an optical transceiver for 40 km transmission having a wavelength band of 1550 nm and a transmission speed of 10.7 Gbit / s. It is an uncooled type that does not require a temperature modulator, and the usable temperature range is −5 ° C. or more and 85 ° C. or less. In the EA modulator integrated DFB laser, the EA modulator portion and the DFB laser portion are formed on the same substrate by a manufacturing method described later.
当該ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザは、アンクールドタイプのものであり、使用が想定されている温度領域において、いくつかのパラメータについて所定の条件を満たしているよう、以下のように、ＤＦＢ部及びＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＧ及びΔＨの適合値の範囲を求める。 The EA modulator integrated DFB laser is of an uncooled type, and the DFB section and the EA are as follows so as to satisfy predetermined conditions for some parameters in a temperature range where use is assumed. A range of suitable values of the detuning amounts ΔG and ΔH of the modulator unit is obtained.
[ＤＦＢレーザ部のデチューニング量ΔＧ]
ＤＦＢレーザ部のデチューニング量ΔＧを設計するための適合値を、最高温度ｔＨ及び最低温度ｔＬにおける発振閾値電流Ｉｔｈと、最低温度ｔＬにおける発振スペクトルの測定により求める。
[Detuning amount of DFB laser part ΔG]
An appropriate value for designing the detuning amount ΔG of the DFB laser unit is obtained by measuring the oscillation threshold current I th at the maximum temperature t H and the minimum temperature t L and the oscillation spectrum at the minimum temperature t L.
ＤＦＢレーザ部のデチューニング量ΔＧは、前述の通り、温度依存性を有し、温度に応じてデチューニング量ΔＧは変化する。それゆえ、ｔ℃におけるデチューニング量ΔＧをΔＧ（ｔ）と表すこととする。 As described above, the detuning amount ΔG of the DFB laser unit has temperature dependence, and the detuning amount ΔG changes according to the temperature. Therefore, the detuning amount ΔG at t ° C. is expressed as ΔG (t).
まず、同じ温度ｔにおいて異なるデチューニング量ΔＧ（ｔ）の値を有するよう設計して、複数のＤＦＢレーザ部を作製する。当該複数のＤＦＢレーザ部について、想定される使用温度領域の最高温度ｔＨ及び最低温度ｔＬのそれぞれにおいて、発振閾値電流Ｉｔｈを測定する。レーザ部として使用するに十分な光出力を得るための発振閾値電流を所定の電流値として、測定された発振閾値電流Ｉｔｈが所定の電流値以下となるＤＦＢレーザ部のデチューニング量ΔＧの範囲を求める。また、最低温度ｔＬにおいて、発振スペクトルを測定し、その発振スペクトルから、それぞれのデチューニング量ΔＧにおいて、２次の横モードが発振しておらず、１次の横モードのみが発振している状態になっているかどうかを判断する。そして、２次の横モードが発振せず、１次の横モードのみが発振している状態となる、ΔＧの範囲を求める。以上によって、求められたデチューニング量ΔＧの範囲をともに満たす範囲を求めることにより、デチューニング量ΔＧの適合値の設定範囲が得られる。 First, a plurality of DFB laser parts are manufactured by designing to have different values of detuning amount ΔG (t) at the same temperature t. For the plurality of DFB laser portion, at each maximum temperature t H and minimum temperature t L of operating temperature range envisaged to measure the oscillation threshold current I th. The range of the detuning amount ΔG of the DFB laser unit in which the measured oscillation threshold current I th is equal to or less than the predetermined current value with the oscillation threshold current for obtaining a sufficient optical output for use as the laser unit being a predetermined current value Ask for. Further, an oscillation spectrum is measured at the minimum temperature t L , and from the oscillation spectrum, the secondary transverse mode does not oscillate at each detuning amount ΔG, and only the primary transverse mode oscillates. Determine whether it is in a state. Then, a range of ΔG in which the secondary transverse mode does not oscillate and only the primary transverse mode oscillates is obtained. As described above, by obtaining a range that satisfies both the obtained range of the detuning amount ΔG, it is possible to obtain a setting range of the appropriate value of the detuning amount ΔG.
図１は、前述した複数のＤＦＢレーザ部について測定された最高温度ｔＨ＝８５℃及び最低温度ｔＬ＝−５℃における発振閾値電流Ｉｔｈの測定結果を示したものである。横軸は、デチューニング量ΔＧであるが、デチューニング量ΔＧは温度依存性を有するため、複数のＤＦＢレーザ部の各々が有するデチューニング量ΔＧは、室温である２５℃に換算して、ΔＧ（ｔ＝２５）として表されている。前述の通り、デチューニング量ΔＧは、約−０．５ｎｍ／℃の温度依存性がある。例えば、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）が２０ｎｍである場合、最高温度ｔＨ＝８５℃におけるデチューニング量ΔＧ（ｔ＝８５）は、２０＋（−０．５）×（８５−２５）＝−１０ｎｍとなる。同様に、最低温度ｔＬ＝−５℃におけるデチューニング量ΔＧ（ｔ＝−５）は、２０＋（−０．５）×（−５−２５）＝３５ｎｍとなる。また、縦軸は発振閾値電流Ｉｔｈの電流値であり、シンボル●及びシンボル□は、それぞれ、最低温度ｔＬ＝−５℃及び最高温度ｔＨ＝８５℃における発振閾値電流Ｉｔｈの電流値が示されている。
Figure 1 shows the measurement results of the oscillation threshold current I th at a
デチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）が３０ｎｍを超えると、最低温度ｔＬ＝−５℃における発振閾値電流Ｉｔｈが急激に増大している。ここで、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）＝３０ｎｍは、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝−５）＝４５ｎｍと、換算される。 When the detuning amount ΔG (t = 25) exceeds 30 nm, the oscillation threshold current I th at the minimum temperature t L = −5 ° C. increases rapidly. Here, the detuning amount ΔG (t = 25) = 30 nm is converted into the detuning amount ΔG (t = −5) = 45 nm.
一般には、低温において発振閾値電流Ｉｔｈは小さいが、デチューニング量ΔＧが大きくなると、低温においても、急激に発振閾値電流Ｉｔｈは急激に大きくなる。これは、ＭＱＷ構造の利得スペクトルが、その量子効果によって利得ピーク波長よりも長波長側は急峻に利得が小さくなる形状となっているからである。 In general, although small oscillation threshold current I th at low temperatures, when the detuning amount ΔG becomes larger, even at low temperatures, rapidly oscillation threshold current I th is abruptly increases. This is because the gain spectrum of the MQW structure has a shape in which the gain sharply decreases on the longer wavelength side than the gain peak wavelength due to the quantum effect.
たとえば最高温度ｔＨ＝８５℃での特性を優先させて、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝８５）＝０ｎｍ、すなわち、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）＝３０ｎｍとした場合、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝−５）＝４５ｎｍとなり、ｔＬ＝−５℃でレーザ発振するには、発振閾値電流Ｉｔｈが大きくなっている状況となる。 For example, when priority is given to the characteristics at the maximum temperature t H = 85 ° C. and the detuning amount ΔG (t = 85) = 0 nm, that is, the detuning amount ΔG (t = 25) = 30 nm, the detuning amount ΔG ( t = −5) = 45 nm, and in order to perform laser oscillation at t L = −5 ° C., the oscillation threshold current I th becomes large.
よって、最低温度ｔＬ＝−５℃における発振閾値電流Ｉｔｈの測定により、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）は、３０ｎｍ以下が望ましい。 Therefore, the detuning amount ΔG (t = 25) is desirably 30 nm or less by measuring the oscillation threshold current I th at the minimum temperature t L = −5 ° C.
一方、デチューニング量ΔＧは、高温において、より小さい値をとるので、設計次第では、負の値をとる場合がある。この場合、発振波長λＤＦＢが、利得ピーク波長λｇａｉｎよりも短波長側になっている。この場合、デチューニング量ΔＧが減少するにつれて、すなわち、発振波長λＤＦＢが、利得ピーク波長λｇａｉｎから短波長側へより離れていくにつれて、発振閾値電流Ｉｔｈは増大することがわかる。図１に示す通り、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）が１０ｎｍを下回ると、発振閾値電流Ｉｔｈは４０ｍＡを超えてしまう。このとき、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝８５）＝−２０ｎｍとなり、発振波長λＤＦＢが利得ピーク波長λｇａｉｎよりも２０ｎｍも短波長側にずれている。ｔＨ＝８５℃におけるＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの効率は、ＭＱＷ構造の最適化などにより約０．２５Ｗ／Ａを達成することは可能であるが、発振閾値電流Ｉｔｈが４０ｍＡを超えてしまうと、駆動電流を１２０ｍＡとしても２０ｍＷという光出力を得ることは困難となる。 On the other hand, since the detuning amount ΔG takes a smaller value at a high temperature, it may take a negative value depending on the design. In this case, the oscillation wavelength λ DFB is shorter than the gain peak wavelength λ gain . In this case, as the detuning amount ΔG is reduced, i.e., the oscillation wavelength lambda DFB is, as the gain peak wavelength lambda gain goes farther to the shorter wavelength side, the oscillation threshold current I th is found to increase. As shown in FIG. 1, when the detuning amount ΔG (t = 25) is below 10 nm, the oscillation threshold current I th is exceeds 40 mA. At this time, the detuning amount ΔG (t = 85) = − 20 nm, and the oscillation wavelength λ DFB is shifted to the short wavelength side by 20 nm from the gain peak wavelength λ gain . The efficiency of the EA modulator integrated DFB laser at t H = 85 ° C. can be about 0.25 W / A by optimizing the MQW structure or the like, but the oscillation threshold current I th exceeds 40 mA. Thus, it is difficult to obtain an optical output of 20 mW even when the drive current is 120 mA.
よって、最高温度８５℃における発振閾値電流の測定により、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）は、１０ｎｍ以上が望ましい。 Therefore, the detuning amount ΔG (t = 25) is desirably 10 nm or more by measuring the oscillation threshold current at the maximum temperature of 85 ° C.
最低温度ｔＬ＝−５℃において、前述した複数のＤＦＢレーザ部について、発振スペクトルを測定する。その発振スペクトルより、１次の横モードが発振する波長における発振スペクトルの強度と、２次の横モードが発振する波長における発振スペクトルの強度を求める。そして、１次の横モードと２次の横モードの発振スペクトルの強度差が４０ｄＢ以上であれば、２次の横モードは発振していないと判断し、４０ｄＢ以下であれば、２次の横モードが発振していると判断する。 At the minimum temperature t L = −5 ° C., the oscillation spectrum is measured for the plurality of DFB laser units described above. From the oscillation spectrum, the intensity of the oscillation spectrum at the wavelength at which the primary transverse mode oscillates and the intensity of the oscillation spectrum at the wavelength at which the secondary transverse mode oscillates are obtained. If the intensity difference between the oscillation spectra of the primary transverse mode and the secondary transverse mode is 40 dB or more, it is determined that the secondary transverse mode is not oscillating, and if it is 40 dB or less, the secondary transverse mode is not oscillated. Judge that the mode is oscillating.
同じ条件で作製された複数のＤＦＢレーザ部について、測定された発振スペクトルにより、同じ条件において、２次の横モードが発振していると判断されたＤＦＢレーザ部の個数の、作製された複数のＤＦＢレーザ部全体の個数に対する割合を、２次の横モード発生率として、図２に示している。図２に示す通り、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）が２５ｎｍより小さい条件においては、その条件で作製されたＤＦＢレーザ部すべてにおいて２次の横モードが発振していないと判断された。すなわち、２次の横モードの発生率は０である。ところが、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）が２５ｎｍを超えると、すなわち、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝−５）が４０ｎｍを超えると、ｔＬ＝−５℃において２次の横モード発生率が急激に増大している。これは特に、ＤＦＢレーザ部の抵抗を下げる等の目的のために、メサ構造の幅を約２μｍ程度と若干大きな幅で設計した場合に起こりやすい現象である。 With respect to a plurality of DFB laser parts manufactured under the same conditions, the number of DFB laser parts manufactured is equal to the number of DFB laser parts determined to oscillate in the second-order transverse mode under the same conditions based on the measured oscillation spectrum. The ratio with respect to the total number of DFB laser units is shown in FIG. 2 as a secondary transverse mode occurrence rate. As shown in FIG. 2, under the condition that the detuning amount ΔG (t = 25) is smaller than 25 nm, it is determined that the secondary transverse mode does not oscillate in all the DFB laser parts manufactured under the condition. That is, the occurrence rate of the secondary transverse mode is zero. However, when the detuning amount ΔG (t = 25) exceeds 25 nm, that is, when the detuning amount ΔG (t = −5) exceeds 40 nm, the second-order transverse mode occurrence rate at t L = −5 ° C. It is increasing rapidly. This is a phenomenon that is likely to occur particularly when the width of the mesa structure is designed to be slightly large, such as about 2 μm, for the purpose of reducing the resistance of the DFB laser portion.
１次の横モードと２次の横モードとの実効屈折率差から計算される発振波長の計算値によると、１５５０ｎｍ波長帯の場合、２次の横モード発振波長が１次の横モード発振波長より約２０ｎｍ短い。−５℃においてデチューニング量ΔＧが４０ｎｍである場合、発振波長λＤＦＢは、利得ピーク波長λｇａｉｎより４０ｎｍも長波長側にずれているので、１次の横モードの利得がそれに応じて非常に小さくなっている。これに対して、２次の横モードの発振波長は、利得ピーク波長λｇａｉｎから約２０ｎｍずれているに過ぎないため、２次の横モードが発振しやすくなっている。２次の横モードが発振すると、Ｉ−Ｌ特性に不連続キンクを引き起こしたり、ＥＡ変調器において消光比の劣化を引き起こしたりするなど、特性に悪影響を及ぼすこととなる。それゆえ、２次の横モード発生率の測定から、２５℃におけるデチューニング量ΔＧを２５ｎｍ以下にするのが望ましい。 According to the calculated value of the oscillation wavelength calculated from the effective refractive index difference between the primary transverse mode and the secondary transverse mode, in the 1550 nm wavelength band, the secondary transverse mode oscillation wavelength is the primary transverse mode oscillation wavelength. Shorter by about 20 nm. When the detuning amount ΔG is −40 ° C. at −5 ° C., the oscillation wavelength λ DFB is shifted to the longer wavelength side by 40 nm from the gain peak wavelength λ gain. It is getting smaller. On the other hand, since the oscillation wavelength of the secondary transverse mode is only about 20 nm away from the gain peak wavelength λ gain , the secondary transverse mode is likely to oscillate. When the second-order transverse mode oscillates, the characteristics are adversely affected, such as causing discontinuous kinks in the IL characteristics or causing deterioration of the extinction ratio in the EA modulator. Therefore, it is desirable to set the detuning amount ΔG at 25 ° C. to 25 nm or less from the measurement of the secondary transverse mode occurrence rate.
[ＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＨ]
ＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＨを設計するための適合値を、最高温度ｔＨにおける基礎吸収による挿入損と、最低温度ｔＬにおける動的消光比の測定により求める。
[EA tuning detuning amount ΔH]
An appropriate value for designing the detuning amount ΔH of the EA modulator section is obtained by measuring the insertion loss due to the basic absorption at the maximum temperature t H and the dynamic extinction ratio at the minimum temperature t L.
ＤＦＢレーザ部のデチューニング量ΔＧと同様に、ｔ℃におけるＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＨをΔＨ（ｔ）と表すこととする。 Similarly to the detuning amount ΔG of the DFB laser unit, the detuning amount ΔH of the EA modulator unit at t ° C. is expressed as ΔH (t).
まず、同じ温度ｔにおいて異なるデチューニング量ΔＨ（ｔ）の値を有するよう設計して、複数のＥＡ変調器部を作製する。当該複数のＥＡ変調器部について、想定される使用温度領域の最高温度ｔＨにおける基礎吸収による挿入損を、最低温度ｔＬにおける動的消光比を、測定する。変調器として使用するに十分な特性を有するための挿入損の値を所定値として、最高温度ｔＨにおける基礎吸収による挿入損の値が、その所定値以下となるように、ＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＨの下限値を求める。同様に、変調器として使用するに十分な特性を有するための動的消光比の値を所定値として、最低温度ｔＬにおける動的消光比の値が、その所定値以上となるように、ＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＨの上限値を求める。以上により、デチューニング量ΔＨの適合値の設定範囲が得られる。 First, a plurality of EA modulator sections are manufactured by designing to have different values of detuning amount ΔH (t) at the same temperature t. With respect to the plurality of EA modulator sections, the insertion loss due to the basic absorption at the highest temperature t H in the assumed use temperature range is measured, and the dynamic extinction ratio at the lowest temperature t L is measured. The value of the insertion loss for having characteristics sufficient for use as a modulator is set as a predetermined value, and the value of the insertion loss due to basic absorption at the maximum temperature t H is equal to or lower than the predetermined value. The lower limit value of the detuning amount ΔH is obtained. Similarly, the value of the dynamic extinction ratio for having characteristics sufficient for use as a modulator is set as a predetermined value, and the value of the dynamic extinction ratio at the minimum temperature t L is equal to or greater than the predetermined value. An upper limit value of the detuning amount ΔH of the modulator unit is obtained. As described above, the setting range of the adaptive value of the detuning amount ΔH is obtained.
図３は、前述した複数のＥＡ変調器部について測定された最高温度ｔＨ＝８５℃における基礎吸収による挿入損と、最低温度ｔＬ＝−５℃における動的消光比の測定結果を示したものである。ここで、動的消光比は、変調振幅電圧Ｖｍｏｄを２Ｖとして、測定を行った。横軸は、デチューニング量ΔＨである。デチューニング量ΔＨは、前述のデチューニング量ΔＧと同様に、温度依存性を有するため、図３における横軸は、室温である２５℃のデチューニング量ΔＨに換算して、ΔＨ（ｔ＝２５）として表されている。また、図３における縦軸は、シンボル●については、８５℃における基礎吸収による挿入損を、シンボル▲については、−５℃における動的消光比を、示している。 FIG. 3 shows the measurement results of the insertion loss due to the fundamental absorption at the maximum temperature t H = 85 ° C. and the dynamic extinction ratio at the minimum temperature t L = −5 ° C. measured for the plurality of EA modulator sections described above. Is. Here, the dynamic extinction ratio was measured at a modulation amplitude voltage V mod of 2V. The horizontal axis represents the detuning amount ΔH. Since the detuning amount ΔH has a temperature dependence like the detuning amount ΔG described above, the horizontal axis in FIG. 3 is converted into a detuning amount ΔH of 25 ° C. which is room temperature, and ΔH (t = 25 ). The vertical axis in FIG. 3 indicates the insertion loss due to basic absorption at 85 ° C. for the symbol ●, and the dynamic extinction ratio at −5 ° C. for the symbol ▲.
８５℃における基礎吸収による挿入損は、デチューニング量ΔＨが減少するとともに、増加し、デチューニング量ΔＨ（ｔ＝２５）が８０ｎｍ以下になると、３ｄＢよりも大きくなる。基礎吸収による挿入損が３ｄＢを超えると、ＤＦＢレーザ部のレーザ駆動電流Ｉｆを１２０ｍＡ以上に上げなければ、高温駆動時に所望の光出力を得ることが困難になるので、デチューニング量ΔＨ（ｔ＝２５）が８０ｎｍ以上であることが望ましい。 The insertion loss due to basic absorption at 85 ° C. increases as the detuning amount ΔH decreases, and becomes larger than 3 dB when the detuning amount ΔH (t = 25) is 80 nm or less. If the insertion loss due to basic absorption exceeds 3 dB, it is difficult to obtain a desired optical output during high temperature driving unless the laser driving current If of the DFB laser unit is increased to 120 mA or more. = 25) is desirably 80 nm or more.
−５℃における動的消光比は、デチューニング量ΔＨが増加するとともに、減少し、デチューニング量ΔＨ（ｔ＝２５）が１００ｎｍ以上になると、１０ｄＢ以下となる。この場合、変調振幅電圧Ｖｍｏｄを２Ｖでは駆動が困難となり、さらに、変調振幅電圧Ｖｍｏｄを２Ｖとより高くすることが必要となる。変調振幅電圧Ｖｍｏｄを２Ｖで駆動させるためには、デチューニング量ΔＨ（ｔ＝２５）が１００ｎｍ以下であることが望ましい。 The dynamic extinction ratio at −5 ° C. decreases as the detuning amount ΔH increases, and becomes 10 dB or less when the detuning amount ΔH (t = 25) is 100 nm or more. In this case, the modulation amplitude voltage V mod is driven at 2V it becomes difficult, furthermore, it is necessary to further increase the 2V modulation amplitude voltage V mod. In order to drive the modulation amplitude voltage V mod at 2 V, the detuning amount ΔH (t = 25) is desirably 100 nm or less.
以上により求めた条件をすべて満たす範囲を求めると、ＤＦＢレーザ部のデチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）の適合値は、１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下であり、ＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＨ（ｔ＝２５）の適合値は、８０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが得られた。なお、ここでは、発振波長が１５５０ｎｍの場合について説明したが、同じ波長帯となる発振波長が１４６０ｎｍ以上１６３０ｎｍ以下についても、同様であることは言うまでもない。そして、これらデチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）及びΔＨ（ｔ＝２５）を、波長帯１４６０ｎｍ以上１６３０ｎｍ以下の発振波長λＤＦＢに対して、エネルギー換算すると、ΔＧ（ｔ＝２５）は、およそ５ｍｅＶ以上１４ｍｅＶ以下、ΔＨ（ｔ＝２５）は、およそ４０ｍｅＶ以上６０ｍｅＶ以下となる。 When the range satisfying all the conditions obtained above is obtained, the suitable value of the detuning amount ΔG (t = 25) of the DFB laser unit is 10 nm or more and 25 nm or less, and the detuning amount ΔH (t = t of the EA modulator unit). The conforming value of 25) was obtained to be 80 nm or more and 100 nm or less. Although the case where the oscillation wavelength is 1550 nm has been described here, it is needless to say that the same applies to the case where the oscillation wavelength having the same wavelength band is 1460 nm or more and 1630 nm or less. When these detuning amounts ΔG (t = 25) and ΔH (t = 25) are converted into energy with respect to the oscillation wavelength λ DFB of the wavelength band of 1460 nm or more and 1630 nm or less, ΔG (t = 25) is about 5 meV. Above 14 meV, ΔH (t = 25) is about 40 meV or more and 60 meV or less.
また、２５℃における発振波長λＤＦＢ、及び、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）とΔＨ（ｔ＝２５）より、２５℃におけるＤＦＢレーザ部の利得ピーク波長λｇａｉｎ及びＥＡ変調器部のフォトルミネッセンス波長ΛＥＡの適合値の範囲が得られる。
Further, from the
図４は、２５℃における発振波長λＤＦＢが１５５０ｎｍの場合について、ＤＦＢレーザ部の発振波長λＤＦＢ、利得ピーク波長λｇａｉｎの適合値、及び、ＥＡ変調器部のフォトルミネッセンス波長ΛＥＡの適合値、の温度変化を表している。ここで、横軸は、素子の温度ｔを、縦軸は波長λを、表している。
FIG. 4 shows a case where the
２５℃における発振波長λＤＦＢが１５５０ｎｍであれば、ＤＦＢレーザ部のデチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）の適合値の範囲は、１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下であるので、２５℃におけるＤＦＢレーザ部の利得ピーク波長λｇａｉｎの適合値の範囲は、１５２５ｎｍ以上１５４０ｎｍ以下となる。また、ＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＨ（ｔ＝２５）の適合値の範囲は、８０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であるので、２５℃におけるＥＡ変調器部のフォトルミネッセンス波長ΛＥＡの適合値の範囲は、１４５０ｎｍ以上１４７０ｎｍ以下となる。図４において、２５℃におけるこれら適合値の範囲が、それぞれ矢印で示されている。
If the
これは、最低温度ｔＬ＝−５℃において、発振波長λＤＦＢは１５４７ｎｍで、利得ピーク波長λｇａｉｎの適合値は、１５０７ｎｍ以上１５２２ｎｍ以下、フォトルミネッセンス波長ΛＥＡの適合値は、１４３２ｎｍ以上１４５２ｎｍ以下に、相当している。また、最高温度ｔＨ＝８５℃において、発振波長λＤＦＢは１５５６ｎｍで、利得ピーク波長λｇａｉｎの適合値は１５６１ｎｍ以上１５７６ｎｍ以下、フォトルミネッセンス波長ΛＥＡの適合値は１４８６ｎｍ以上１５０６ｎｍ以下に、相当している。 This is because, at the minimum temperature t L = −5 ° C., the oscillation wavelength λ DFB is 1547 nm, the suitable value of the gain peak wavelength λ gain is 1507 nm to 1522 nm, and the suitable value of the photoluminescence wavelength Λ EA is 1432 nm to 1452 nm. It corresponds to. At the maximum temperature t H = 85 ° C., the oscillation wavelength λ DFB is 1556 nm, the conformity value of the gain peak wavelength λ gain is 1561 nm to 1576 nm, and the conformity value of the photoluminescence wavelength Λ EA corresponds to 1486 nm to 1506 nm. ing.
[レーザの作製]
本実施形態に係るＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの作製方法について、説明する。本レーザは、温度調整器を必要としないアンクールドタイプである。
[Laser fabrication]
A method for manufacturing the EA modulator integrated DFB laser according to the present embodiment will be described. This laser is an uncooled type that does not require a temperature regulator.
複数のＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザが形成されるウエハを作製するウエハ工程について説明する。ウエハ全体の形状をしたｎ型半導体基板１０１上に、有機金属気相成長法（以下、ＭＯ−ＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法と記す）により、ｎ型ＩｎＰバッファ層１０２、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ下側ガイド層１０３、ＭＱＷ層１０４、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ上側ガイド層１０５、ｐ型ＩｎＰキャップ層が、順に、結晶成長される（ＥＡ変調器部１０６の第１多層成長）。ここで、ＭＱＷ層１０４は、井戸層と障壁層が共に、アンドープＩｎＧａＡｌＡｓによって構成されており、井戸層は８層存在している。これらが、ＥＡ変調器部１０６の光閉じ込め層となる。
A wafer process for producing a wafer on which a plurality of EA modulator integrated DFB lasers are formed will be described. An n-type
次に、こうして形成されたウエハ全体のうち、各ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザのＥＡ変調器部１０６となる領域の上にのみ、熱気相成長法（以下、Ｔ−ＣＶＤ（Thermal-Chemical Vapor Deposition）法と記す）により、酸化膜（ＳｉＯ２）が形成される。そして、ドライエッチング・ウェットエッチングが施され、このＥＡ変調器部１０６となる領域以外の領域に位置する、ｎ型ＩｎＰバッファ層１０２より上の多層部分が除去される。
Next, a thermal vapor deposition method (hereinafter referred to as T-CVD (Thermal-Chemical Vapor Deposition)) is formed only on a region to be the
その後、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層１０７、ＭＱＷ層１０８、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層１０９、１０ｎｍから２０ｎｍ程度の層厚のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層１１０、ｐ型ＩｎＰキャップ層が、順に、結晶成長される（ＤＦＢレーザ部１１１の第１多層成長）。ここで、ＭＱＷ層１０８は、井戸層・障壁層が共に、アンドープＩｎＧａＡｓＰによって構成されている。これらが、ＤＦＢレーザ部１１１の光閉じ込め層をとなる。
Thereafter, an n-type InGaAsP
ここで、上記により求まったＤＦＢレーザ部１１１及びＥＡ変調器部１０６のデチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）及びΔＨ（ｔ＝２５）の適合値の範囲にある値として、ＤＦＢレーザ部１１１のデチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）＝１５ｎｍと、ＥＡ変調器部１０６のデチューニング量ΔＨ（ｔ＝２５）＝９０ｎｍを選択した場合について、説明する。
Here, the values of the
デチューニング量ΔＧ及びΔＨを上記の値になるようＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザを作製するために、室温２５℃において、ＥＡ変調器部１０６及びＤＦＢレーザ部１１１のフォトルミネッセンス波長が、それぞれ、１４６０ｎｍ、１５３０ｎｍとなるよう、また、ＤＦＢレーザ部１１１の利得ピーク波長λｇａｉｎが１５３５ｎｍとなるよう、設定されている。
In order to fabricate the EA modulator integrated DFB laser so that the detuning amounts ΔG and ΔH are the above values, the photoluminescence wavelengths of the
なお、ここではＥＡ変調器部１０６、ＤＦＢレーザ部１１１の順に形成されるとしたが、形成される順序は、どちらが先でもかまわない。ＥＡ変調器部１０６及びＤＦＢレーザ部１１１が形成された後、ＤＦＢレーザ部１１１のｐ型ＩｎＰキャップ層のみがエッチングされる。そして、各ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザのＤＦＢレーザ部１１１となる領域の上にのみ、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層１１０に干渉露光法によって回折格子が形成される。このとき、２５℃におけるＤＦＢレーザ部１１１の発振波長λＤＦＢが１５５０ｎｍとなるよう、ピッチが設計されることで、ＤＦＢレーザ部１１１のデチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）を１５ｎｍ、ＥＡ変調器部１０６のデチューニング量ΔＨ（ｔ＝２５）を９０ｎｍとすることが出来る。
Here, the
ここで、例えば、同一基板内で上記とは異なる発振波長となる回折格子ピッチの設計を行ったＤＦＢレーザ部を作製することによって、１枚の基板の中で異なるデチューニング量ΔＧ（ｔ）及びΔＨ（ｔ）を有する複数のＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザが作製される。これら複数のＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザにより、上述したように、デチューニング量ΔＧ若しくはΔＨの適合値を求めることが出来る。 Here, for example, by producing a DFB laser unit designed with a diffraction grating pitch having an oscillation wavelength different from the above in the same substrate, different detuning amounts ΔG (t) and A plurality of EA modulator integrated DFB lasers with ΔH (t) are fabricated. By using the plurality of EA modulator integrated DFB lasers, as described above, it is possible to obtain an appropriate value of the detuning amount ΔG or ΔH.
さらに、ｐ型ＩｎＰクラッド層１１２、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層とｐ型ＩｎＧａＡｓ層の２層からなるｐ型コンタクト層１１３、ｐ型ＩｎＰ保護層が、順に、ＭＯ−ＣＶＤ法により、結晶成長される（第２多層成長）。これら多層の層厚の合計は、２μｍ程度が望ましい。第１多層、第２多層ともに、ｐ型半導体のドーパントとして、亜鉛（Ｚｎ）が用いられている。
Further, a p-type
次に、ストライブ状にパターニングし形成されたＳｉＯ２膜をマスクに、ドライエッチングが施され、ＥＡ変調器部１０６及びＤＦＢレーザ部１１１に、幅２．０μｍ、深さ３．５μｍのメサ構造が形成される。このとき、ＥＡ変調器部１０６及びＤＦＢレーザ部１１１において、活性層となるＭＱＷ層１０４，１０８は、それぞれ、メサ構造の最下点から約１μｍの高さに位置している。その後、メサ構造の両脇に、厚さ４．５μｍ程度のルテニウム（Ｒｕ）をドーパントとした半絶縁性ＩｎＰ層１１４が形成される。形成される際の温度は、半絶縁性ＩｎＰ層１１４の抵抗率と埋め込み形状が最適になるように、５５０〜６００℃の間に設定される。
Next, dry etching is performed using the SiO 2 film formed by patterning in a stripe shape as a mask, and the
その後、ＥＡ変調器部１０６とＤＦＢレーザ部１１１になる領域の間にある領域のｐ型コンタクト層１１３が除去され、ＥＡ変調器部１０６のｐ型コンタクト層１１３とＤＦＢレーザ部１１１のｐ型コンタクト層１１３とが電気的に遮断される。そして、このウエハ全体が一旦パッシベーション（ＳｉＯ２）膜１１５で保護され、ＥＡ変調器部１０６及びＤＦＢレーザ部１１１において、メサ部のパッシベーション膜１１５が部分的に除去されたスルーホールが形成された後、ｐ電極１１６が蒸着され、イオンミリングによって電極パターニングが行われる。最後に、ｎ型半導体基板１０１の下面が、ウエハ全体の厚さが１００〜１５０μｍになる程度まで研磨され、ｎ電極１１７が蒸着されて、ウエハ工程が完了する。
Thereafter, the p-
続いて、このウエハが、バー状の形状となるよう劈開され、レーザ素子の後方側（レーザ部側）の劈開面に、反射率９０％以上の高反射膜１１８が、レーザ素子の前方側（ＥＡ変調器部側）の劈開面に、反射率１％以下の無反射膜１１９が、コーティングされる。その後、さらに、チップ状に劈開され、ＥＡ変調器集積レーザそれぞれが作製される。以上により、作製されたＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの上面図と、ＥＡ変調器部１０６の断面（Ａ−Ａ）、ＤＦＢレーザ部１１１の断面（Ｂ−Ｂ）が、それぞれ、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）に示されている。
Subsequently, the wafer is cleaved so as to have a bar shape, and a highly
[レーザ素子の性能評価]
以上により作製されるＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ素子を、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）製の５０Ω終端抵抗が配置されたチップキャリアに、ＡｕＳｎはんだにより搭載し、ＤＦＢレーザ部・ＥＡ変調器部の電極に、ワイヤを接続し、当該レーザ素子の性能評価を行った。
[Performance evaluation of laser elements]
The EA modulator integrated DFB laser device manufactured as described above is mounted on a chip carrier on which a 50Ω termination resistor made of aluminum nitride (AlN) is disposed by AuSn solder, and is applied to the electrodes of the DFB laser unit and the EA modulator unit. Wires were connected and the performance of the laser element was evaluated.
ＤＦＢレーザ部の特性は、素子温度ＴＬＤ＝−５℃のとき、発振閾値電流Ｉｔｈ＝６．５ｍＡ、レーザ駆動電流Ｉｆ＝５０ｍＡでの光出力Ｐｏ＝１２．６ｄＢｍ、レーザ部抵抗Ｒｓ＝３．５Ω、発振波長λＤＦＢ＝１５４７．６２ｎｍで、２次の横モードが発振することもなかった。また、素子温度ＴＬＤ＝８５℃のとき、発振閾値電流Ｉｔｈ＝３２ｍＡ、レーザ駆動電流Ｉｆ＝１２０ｍＡでの光出力Ｐｏ＝１０．４ｄＢｍ、レーザ部抵抗Ｒｓ＝３．８Ω、発振波長λＤＦＢ＝１５５６．１６ｎｍとなった。 The characteristics of the DFB laser section are as follows: when the element temperature T LD = −5 ° C., the optical output P o = 12.6 dBm at the oscillation threshold current I th = 6.5 mA, the laser drive current I f = 50 mA, and the laser section resistance R When s = 3.5Ω and the oscillation wavelength λ DFB = 1547.62 nm, the second-order transverse mode did not oscillate. Further, when the element temperature T LD = 85 ° C., the optical output P o = 10.4 dBm at the oscillation threshold current I th = 32 mA, the laser driving current I f = 120 mA, the laser part resistance R s = 3.8Ω, the oscillation wavelength λ DFB = 1556.16 nm.
次に、伝送速度１０．７Ｇｂｉｔ／ｓにおいて、４０ｋｍ（分散値８００ｐｓ／ｎｍ）伝送評価を行ったところ、以下の特性を得た。素子温度ＴＬＤ＝−５℃のとき、レーザ駆動電流Ｉｆ＝５０ｍＡ、ＥＡ変調器部の逆バイアス電圧Ｖｅａ＝−２．５Ｖ、変調振幅電圧Ｖｍｏｄ＝２．０Ｖにおいて、変調時光出力Ｐｍｏｄ＝＋６．８ｄＢｍ、動的消光比ＡＣＥＲ＝１０．６ｄＢ、パスペナルティＰｐは０．８ｄＢとなった。また、素子温度ＴＬＤ＝８５℃のとき、レーザ駆動電流Ｉｆ＝１２０ｍＡ、ＥＡ変調器部の逆バイアス電圧Ｖｅａ＝−１．２Ｖ、変調振幅電圧Ｖｍｏｄ＝１．６Ｖにおいて、変調時光出力Ｐｍｏｄ＝＋４．５ｄＢｍ、動的消光比ＡＣＥＲ＝１３．７ｄＢ、パスペナルティＰｐ＝１．３ｄＢとなった。 Next, when the transmission evaluation was performed at 40 km (dispersion value 800 ps / nm) at a transmission speed of 10.7 Gbit / s, the following characteristics were obtained. When the element temperature T LD = −5 ° C., the laser output current I f = 50 mA, the EA modulator reverse bias voltage V ea = −2.5 V, the modulation amplitude voltage V mod = 2.0 V, and the modulated optical output P mod = + 6.8 dBm, dynamic extinction ratio ACER = 10.6 dB, and path penalty P p was 0.8 dB. Further, when the element temperature T LD = 85 ° C., the laser output current I f = 120 mA, the EA modulator reverse bias voltage V ea = −1.2 V, the modulation amplitude voltage V mod = 1.6 V, and the optical output during modulation P mod = + 4.5 dBm, dynamic extinction ratio ACER = 13.7 dB, and pass penalty P p = 1.3 dB.
これらの特性は、ＸＦＰ（ＩＲ）光送受信器の光送信規格を十分満足することができるものである。このように、ＥＡ変調器部の活性層にＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷを用いて、ΔＧ（ｔ＝２５）＝１５ｎｍ、ΔＨ（ｔ＝２５）＝９０ｎｍと、デチューニング量ΔＧ及びΔＨを適合値の範囲内になるよう設計を行い、また、Ｒｕをドーパントとした半絶縁性ＩｎＰ層で埋め込みが行われたことで、広い温度領域にわたって、小さい発振閾値電流、高い光出力、低い抵抗、安定なシングルモード発振、消光比及びチャープ特性の両立とを、すべて実現することが出来ている。 These characteristics can sufficiently satisfy the optical transmission standard of the XFP (IR) optical transceiver. Thus, using InGaAlAs MQW for the active layer of the EA modulator section, ΔG (t = 25) = 15 nm, ΔH (t = 25) = 90 nm, and the detuning amounts ΔG and ΔH are within the range of the conforming values. Designed to be and embedded with a semi-insulating InP layer using Ru as a dopant, a small oscillation threshold current, high light output, low resistance, and stable single-mode oscillation over a wide temperature range Both extinction ratio and chirp characteristics can be realized.
なお、第１の実施形態にかかるＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザでは、低温の消光特性と高温での挿入損特性を考慮して、ＥＡ変調器部に位置するＭＱＷ層１０４において、井戸層の層数は８層とした。これに対して、井戸層の層数を９層としたＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザにおいても、素子温度ＴＬＤ＝８５℃において変調時光出力Ｐｍｏｄ＝４．２ｄＢｍ、素子温度ＴＬＤ＝−５℃において動的消光比ＡＣＥＲ＝１１．４ｄＢが得られている。井戸層が８層のものと比較すると、若干光出力特性が劣るが、実用可能な特性である。また、計算上、井戸層が７層から１０層まで、低温の消光特性と高温での光出力特性を満たすことが可能であることがわかっている。
Note that, in the EA modulator integrated DFB laser according to the first embodiment, the number of well layers in the
[ＭＱＷ材料]
なお、本実施形態に係るＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザのＥＡ変調器部に位置するＭＱＷ層１０４を構成する材料として、ＩｎＧａＡｌＡｓ系を採用した。
[MQW material]
In addition, an InGaAlAs system was adopted as a material constituting the
クールドタイプもしくはセミクールドタイプのＥＡ変調器部では、ＩｎＧａＡｓＰ系によるＭＱＷ層が、従来において、一般に用いられてきた。しかしながら、ＩｎＧａＡｓＰ系によるＭＱＷ層によって構成されるＥＡ変調器部を、アンクールドタイプのレーザ素子で用いるならば、広い温度範囲において、消光比とチャープ特性を、所定の条件を同時に満たすことは困難である。なぜならば、ＩｎＧａＡｓＰ系によるＭＱＷ層は、比較的、価電子帯のバンドオフセットΔＥｖが大きく、伝導帯のバンドオフセットΔＥｃが小さいという特徴があるためである。 In a cooled type or semi-cooled type EA modulator section, an MQW layer based on InGaAsP has been generally used. However, if the EA modulator unit composed of InGaAsP-based MQW layers is used in an uncooled laser element, it is difficult to satisfy the predetermined conditions for the extinction ratio and the chirp characteristics simultaneously in a wide temperature range. is there. This is because the InGaAsP-based MQW layer is characterized by a relatively large valence band offset ΔE v and a small conduction band offset ΔE c .
これに対して、ＩｎＧａＡｌＡｓ系によるＭＱＷ層は、ＩｎＧａＡｓＰ系によるＭＱＷ層と比較して、価電子帯のバンドオフセットΔＥｖが小さく、伝導帯のバンドオフセットΔＥｃが大きい。これにより、チャープ特性、すなわち伝送特性の改善の観点から、正孔の閉じ込めを弱くした場合においても、同時に電子の閉じ込めも十分強くすることができるので、低チャープと高消光比を両立することができる。 In contrast, the InGaAlAs-based MQW layer has a smaller valence band offset ΔE v and a larger conduction-band band offset ΔE c than the InGaAsP-based MQW layer. As a result, from the viewpoint of improving the chirp characteristics, that is, the transmission characteristics, even when the hole confinement is weakened, the electron confinement can be sufficiently strengthened at the same time, so that both low chirp and high extinction ratio can be achieved. it can.
特に、一般に、低温においてデチューニング量ΔＨが大きくなり、高温と比較してチャープが大きくなるので、より大きな逆バイアス電圧を印加する必要がある。このように大きな逆バイアス電圧を印加した場合であっても、ＩｎＧａＡｌＡｓ系によるＭＱＷ層においては、ＭＱＷ層への電子の閉じ込めが可能であるため、大きな消光比が得られる。言い換えれば、ＩｎＧａＡｓＰ系によるＭＱＷ層を備えるＥＡ変調器部と同程度の消光比を得るためには、ＩｎＧａＡｌＡｓ系によるＭＱＷ層を備えるＥＡ変調器部は、変調振幅電圧をより小さくすることが出来るので、当該ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザを搭載したレーザモジュールの低消費電力化を実現することが出来る。 In particular, generally, the detuning amount ΔH increases at a low temperature, and the chirp increases as compared with a high temperature. Therefore, it is necessary to apply a larger reverse bias voltage. Even when such a large reverse bias voltage is applied, in the MQW layer based on InGaAlAs, electrons can be confined in the MQW layer, so that a large extinction ratio can be obtained. In other words, in order to obtain an extinction ratio comparable to that of an EA modulator unit having an InGaAsP-based MQW layer, an EA modulator unit having an InGaAlAs-based MQW layer can reduce the modulation amplitude voltage. Therefore, it is possible to realize low power consumption of a laser module equipped with the EA modulator integrated DFB laser.
[埋め込み層]
本実施形態に係るＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザのメサ構造の両脇に位置する半絶縁性埋め込み層のドーパント材料として、Ｒｕを採用した。
[Embedded layer]
Ru was adopted as a dopant material for the semi-insulating buried layer located on both sides of the mesa structure of the EA modulator integrated DFB laser according to the present embodiment.
クールドタイプのＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザのＥＡ変調器部では、半絶縁性埋め込み層のドーパント材料として、鉄（Ｆｅ）が一般には用いられてきた。しかし、Ｆｅは、ｐ型ＩｎＰクラッド層１１２などｐ型半導体層のドーパント材料である亜鉛（Ｚｎ）との相互拡散が比較的大きい。
In the EA modulator portion of the cooled type EA modulator integrated DFB laser, iron (Fe) has generally been used as a dopant material for the semi-insulating buried layer. However, Fe has a relatively large interdiffusion with zinc (Zn), which is a dopant material of a p-type semiconductor layer such as the p-type
これに対して、Ｒｕは、Ｆｅと比較して、Ｚｎとの相互拡散が小さいことを特徴としている。そのＲｕをドーパントとした半絶縁性ＩｎＰ層１１４が、メサ構造の両側を埋め込まれている。Ｆｅをドーパントとした場合と比較して、ｐ型ＩｎＰクラッド層１１２などのドーパントであるＺｎとの相互拡散が小さくなるので、光学素子構造として十分に高い電気抵抗を確保することが出来、ＤＦＢレーザ部に対して漏れ電流を低減することが可能となっている。特に、高温においても、ＤＦＢレーザ部への印加電流を効率よく活性層に流れるようにすることができ、発振閾値電流Ｉｔｈが小さい値で維持されるので、小さい駆動電流においても十分大きな光出力を得ることができる。
On the other hand, Ru is characterized in that the interdiffusion with Zn is smaller than that of Fe. A
同様に、ＥＡ変調器部では、活性層に印加する電界が、埋め込み層へ漏れるのを低減することができるため、特に、低温においても、活性層に効率よく電界がかかり、変調振幅電圧が小さくても所望の消光特性・伝送特性を得ることができる。 Similarly, in the EA modulator section, since the electric field applied to the active layer can be reduced from leaking to the buried layer, the active layer is efficiently applied to the active layer even at low temperatures, and the modulation amplitude voltage is small. However, desired extinction characteristics and transmission characteristics can be obtained.
(第２の実施形態)
第２の実施形態に係るＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザは、波長帯が１５５０ｎｍであり、伝送速度が１０．７Ｇｂｉｔ／ｓである４０ｋｍ伝送用光送受信器に搭載されるレーザである。第１の実施形態にかかるＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザと同様に、アンクールドタイプであり、使用可能温度領域は、−５℃以上８５℃以下である。
(Second Embodiment)
The EA modulator integrated DFB laser according to the second embodiment is a laser mounted on a 40 km transmission optical transceiver having a wavelength band of 1550 nm and a transmission speed of 10.7 Gbit / s. Like the EA modulator integrated DFB laser according to the first embodiment, it is an uncooled type, and the usable temperature range is −5 ° C. or more and 85 ° C. or less.
第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザと同様に、第２の実施形態に係るＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザは、使用が想定されている温度領域において、いくつかのパラメータについて所定の条件を満たしているよう、ＤＦＢ部及びＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＧ及びΔＨの適合値の範囲を求める。そして、デチューニング量ΔＧ及びΔＨがその適合値の範囲になるよう設計して、以下の作製方法により、当該ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザを作製する。ここで、デチューニング量ΔＧ及びΔＨは、２５℃において、それぞれ、１５ｎｍ、９０ｎｍとしている。 Similar to the EA modulator integrated DFB laser according to the first embodiment, the EA modulator integrated DFB laser according to the second embodiment has predetermined conditions for some parameters in a temperature region where use is assumed. The range of suitable values of the detuning amounts ΔG and ΔH of the DFB section and the EA modulator section is obtained so that Then, the detuning amounts ΔG and ΔH are designed to be in the range of the appropriate values, and the EA modulator integrated DFB laser is manufactured by the following manufacturing method. Here, the detuning amounts ΔG and ΔH are 15 nm and 90 nm, respectively, at 25 ° C.
[レーザの作製]
本実施形態に係るＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの作製方法について、説明する。本レーザは、温度調整器を必要としないアンクールドタイプである。
[Laser fabrication]
A method for manufacturing the EA modulator integrated DFB laser according to the present embodiment will be described. This laser is an uncooled type that does not require a temperature regulator.
複数のＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザが形成されるウエハを作成するウエハ工程について説明する。ウエハ全体の形状をしたｎ型半導体基板２０１上に、ＭＯ−ＣＶＤ法により、ｎ型ＩｎＰバッファ層２０２、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ下側ガイド層２０３、ＭＱＷ層２０４、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ上側ガイド層２０５、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層２０６、ｐ型ＩｎＰキャップ層が、順に、結晶成長される（ＥＡ変調器部２０７の第１多層成長）。ここで、ＭＱＷ層２０４は、井戸層と障壁層が共に、アンドープＩｎＧａＡｌＡｓによって構成されており、井戸層は８層存在している。これらが、ＥＡ変調器部２０７の光閉じ込め層となる。ここで、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層２０６は、数ｎｍから１０ｎｍ程度の層厚を有していれば十分である。
A wafer process for producing a wafer on which a plurality of EA modulator integrated DFB lasers are formed will be described. An n-type
続いて、第１の実施形態と同様に、こうして形成されたウエハ全体のうち、各ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザのＤＦＢレーザ部２０８となる領域に位置する、ｎ型ＩｎＰバッファ層２０２より上の多層部分が、ドライエッチング・ウェッチングにより、除去される。
Subsequently, as in the first embodiment, the multilayer above the n-type
その後、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層２０９、ＭＱＷ層２１０、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層２１１、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２１２、ｐ型ＩｎＰキャップ層が、順に、結晶成長される（ＤＦＢレーザ部２０８の第１多層成長）。ここで、ＭＱＷ層２１０は、井戸層・障壁層が共に、アンドープＩｎＧａＡｓＰによって構成されている。このとき、ＥＡ変調器部２０７のｐ型ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層２０６と、ＤＦＢレーザ部２０８のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２１２との段差が２０ｎｍ以下になるように厚さ設計を行うとよい。
Thereafter, the n-type InGaAsP
その後、第１の実施形態と同様の方法により、ＤＦＢレーザ部２０８において回折格子を形成し、また、ＥＡ変調器部２０７及びＤＦＢレーザ部２０８となる領域に、ｐ型ＩｎＰクラッド層２１３及びｐ型コンタクト層２１４、ｐ型ＩｎＰ保護層が、順に、結晶成長される（第２多層成長）。
Thereafter, a diffraction grating is formed in the
デチューニング量ΔＧ及びΔＨが上記の値になるようＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザを作製するために、第１の実施形態と同様に、室温２５℃において、ＥＡ変調器部２０７及びＤＦＢレーザ部２０８のフォトルミネッセンス波長が、それぞれ、１４６０ｎｍ、１５３０ｎｍとなるよう、また、ＤＦＢレーザ部２０８の発振波長λＤＦＢ及び利得ピーク波長λｇａｉｎが、それぞれ、１５５０ｎｍ、１５３５ｎｍとなるよう、設定されている。これにより、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）及びΔＨ（ｔ＝２５）をそれぞれ、１５ｎｍ、９０ｎｍとすることが出来る。
In order to fabricate the EA modulator integrated DFB laser so that the detuning amounts ΔG and ΔH have the above values, the
次に、ｐ型ＩｎＰ保護層が除去された後、ドライエッチング、またはウェットエッチングによって、ＥＡ変調器部２０７及びＤＦＢレーザ部２０８に、幅２．０μｍ程度のリッジ導波路構造となるメサ構造が形成される。メサ構造の深さは、ＥＡ変調器部２０７及びＤＦＢレーザ部２０８のそれぞれにおいて、それぞれ、ｐ型ＩｎＰクラッド層２１３とｐ型ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層２０６との、ｐ型ＩｎＰクラッド層２１３とｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２１２との、界面で、エッチングを止めるローメサリッジ導波路構造にするのが、一般的である。これは、例えば塩酸と酢酸の混合液を用いれば、選択的に上記界面でエッチングを止めることができ、非常に簡単なプロセスで作製することができるという利点がある。
Next, after the p-type InP protective layer is removed, a mesa structure having a ridge waveguide structure with a width of about 2.0 μm is formed in the
前述したように、ＥＡ変調器部２０７のｐ型ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層２０６と、ＤＦＢレーザ部２０８のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２１２の段差を２０ｎｍ以下に作製されており、それぞれの接続部でメサの段差が極力抑制されている。
As described above, the step difference between the p-type InGaAsP
次に、ＥＡ変調器部２０７とＤＦＢレーザ部２０８になる領域の間にある領域のｐ型コンタクト層２１４がエッチングにより除去され、ＥＡ変調器部２０７のｐ型コンタクト層２１４とＤＦＢレーザ部２０８のｐ型コンタクト層２１４とが、両者を電気的に遮断される。その後、ウエハ全体がパッシベーション膜２１５で保護される。さらに、メサ構造の両側が十分に埋まる程度の厚さのポリイミド樹脂２１６がウエハ全体に塗布される。そして、メサ構造の最上層にあるパッシベーション膜２１５が露出するまで、ウエハ全体のポリイミド樹脂２１６が、酸素とアルゴンの混合ガスによりエッチバックされることにより、平坦化される。
Next, the p-
ここで、ＥＡ変調器部２０７の電極パッドとなる部分もポリイミド樹脂２１６で埋め込まれている。このポリイミド樹脂２１６の埋め込みは、ＥＡ変調器部２０７の低容量化のためであるが、ＥＡ変調器部２０７の全長を短くしたり、ＥＡ変調器部２０７の電極パッド部となる部分にプロトンが打ち込まれるなどにより、１５ＧＨｚ以上の３ｄＢ帯域を確保することができれば、ポリイミド樹脂２１６の埋め込みは、必ずしも必要ではない。続いて、ＥＡ変調器部２０７及びＤＦＢレーザ部２０８において、メサ部のパッシベーション膜１１５が部分的に除去されたスルーホールが形成される。その後、ｐ電極２１７が蒸着され、イオンミリングによって電極パターニングが行われる。最後に、ｎ型半導体基板１０１の下面が、ウエハ全体の厚さが１００〜１５０μｍになる程度まで研磨され、ｎ電極２１８が蒸着されて、ウエハ工程が完了する。
Here, a portion to be an electrode pad of the
続いて、第１の実施形態と同様に、このウエハが劈開され、レーザ素子の後方側（レーザ部側）の劈開面に、反射率９０％以上の高反射膜２１９が、レーザ素子の前方側（ＥＡ変調器部側）の劈開面に、反射率１％以下の無反射膜２２０が、コーティングされ、チップ状に劈開され、ＥＡ変調器集積レーザそれぞれが作製される。以上により、作製されたＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの上面図と、ＥＡ変調器部２０７の断面（Ｃ−Ｃ）、ＤＦＢレーザ部２０８の断面（Ｄ−Ｄ）が、それぞれ、図６（ａ），（ｂ），（ｃ）に示されている。
Subsequently, as in the first embodiment, this wafer is cleaved, and a highly
[レーザ素子の性能評価]
以上により作製されるリッジ導波路構造型のＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ素子を、第１の実施形態と同様に、チップキャリアに搭載し、当該レーザ素子の性能評価を行った。
[Performance evaluation of laser elements]
The ridge waveguide structure type EA modulator integrated DFB laser device manufactured as described above was mounted on a chip carrier in the same manner as in the first embodiment, and the performance of the laser device was evaluated.
ＤＦＢレーザ部の特性は、素子温度ＴＬＤ＝−５℃のとき、発振閾値電流Ｉｔｈ＝１４ｍＡ、レーザ駆動電流Ｉｆ＝５０ｍＡでの光出力Ｐｏ＝１２．２ｄＢｍ、レーザ部抵抗Ｒｓ＝３．６Ω、発振波長λＤＦＢ＝１５４７．３３ｎｍで、２次の横モードが発振することもなかった。また、素子温度ＴＬＤ＝８５℃のとき、発振閾値電流Ｉｔｈ＝４３ｍＡ、レーザ駆動電流Ｉｆ＝１２０ｍＡでの光出力Ｐｏ＝９．９ｄＢｍ、レーザ部抵抗Ｒｓ＝３．８Ω、発振波長λＤＦＢ＝１５５６．０９ｎｍとなった。 The characteristics of the DFB laser part are as follows: when the element temperature T LD = −5 ° C., the optical output P o = 12.2 dBm at the oscillation threshold current I th = 14 mA, the laser drive current I f = 50 mA, and the laser part resistance R s = The secondary transverse mode did not oscillate at 3.6Ω and the oscillation wavelength λ DFB = 1547.33 nm. Further, when the element temperature T LD = 85 ° C., the oscillation threshold current I th = 43 mA, the optical output of the laser drive current I f = 120mA P o = 9.9dBm , laser unit resistance R s = 3.8Ω, the oscillation wavelength λ DFB = 155.09 nm was obtained.
次に、第１の実施形態と同様に、伝送速度１０．７Ｇｂｉｔ／ｓにおいて、４０ｋｍ伝送評価を行ったところ、以下の特性を得た。素子温度ＴＬＤ＝−５℃のとき、レーザ駆動電流Ｉｆ＝５０ｍＡ、ＥＡ変調器部の逆バイアス電圧Ｖｅａ＝−２．５Ｖ、変調振幅電圧Ｖｍｏｄ＝２．０Ｖにおいて、変調時光出力Ｐｍｏｄ＝＋６．２ｄＢｍ、動的消光比ＡＣＥＲ＝１０．１ｄＢ、パスペナルティＰｐは１．０ｄＢとなった。また、素子温度ＴＬＤ＝８５℃のとき、レーザ駆動電流Ｉｆ＝１３０ｍＡ、ＥＡ変調器部の逆バイアス電圧Ｖｅａ＝−１．２Ｖ、変調振幅電圧Ｖｍｏｄ＝１．６Ｖにおいて、変調時光出力Ｐｍｏｄ＝＋３．９ｄＢｍ、動的消光比ＡＣＥＲ＝１３．１ｄＢ、パスペナルティＰｐ＝１．６ｄＢとなった。 Next, as in the first embodiment, 40 km transmission evaluation was performed at a transmission rate of 10.7 Gbit / s, and the following characteristics were obtained. When the element temperature T LD = −5 ° C., the laser output current I f = 50 mA, the EA modulator reverse bias voltage V ea = −2.5 V, the modulation amplitude voltage V mod = 2.0 V, and the modulated optical output P mod = + 6.2 dBm, dynamic extinction ratio ACER = 10.1 dB, and path penalty P p was 1.0 dB. Also, when the element temperature T LD = 85 ° C., the laser output current I f = 130 mA, the reverse bias voltage V ea = −1.2 V of the EA modulator, and the modulation amplitude voltage V mod = 1.6 V, the optical output during modulation P mod = + 3.9 dBm, dynamic extinction ratio ACER = 13.1 dB, and path penalty P p = 1.6 dB.
第１の実施形態に係るレーザ素子と比較すると、素子構造が異なるため、発振閾値電流Ｉｔｈは大きくなり、光出力Ｐｏは小さくなっている。それにより、レーザ駆動電流Ｉｆを、第１の実施形態と比較して、１０ｍＡ程度大きい値とすることで、第１の実施形態に係るレーザ素子の同程度の特性を得ることが出来る。そして、これら特性は、ＸＦＰ（ＩＲ）光送受信器の光送信規格を満足している。このように、ＥＡ変調器部の活性層にＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷを用いて、ΔＧ（ｔ＝２５）＝１５ｎｍ、ΔＨ（ｔ＝２５）＝９０ｎｍの最適設計を行い、リッジ導波路構造をとることで、第１の実施形態と同様に、広い温度領域にわたって良好な特性を得ることができた。 Compared to the laser element according to the first embodiment, since the device structure is different, the oscillation threshold current I th increases, the optical output P o is small. Thus, by setting the laser drive current If to a value that is about 10 mA larger than that of the first embodiment, it is possible to obtain the same characteristics of the laser device according to the first embodiment. These characteristics satisfy the optical transmission standard of the XFP (IR) optical transceiver. In this way, by using InGaAlAs-based MQW for the active layer of the EA modulator section, optimal design of ΔG (t = 25) = 15 nm, ΔH (t = 25) = 90 nm is performed, and a ridge waveguide structure is taken. As in the first embodiment, good characteristics could be obtained over a wide temperature range.
[ローメサリッジ構造]
本実施形態に係るレーザ素子は、メサ構造が、Ｒｕをドーパントとした半絶縁性ＩｎＰ層による埋め込み構造ではなく、リッジ導波路構造を有している。この構造の場合、前述の通り、ＤＦＢレーザ部及びＥＡ変調器部の活性層がメサ構造部だけでなく、メサ構造の両脇にまで広がっているローメサリッジ構造であることが一般的である。
[Low mesa ridge structure]
In the laser element according to the present embodiment, the mesa structure has a ridge waveguide structure, not a buried structure of a semi-insulating InP layer using Ru as a dopant. In the case of this structure, as described above, the active layer of the DFB laser part and the EA modulator part is generally a low mesa ridge structure that extends not only to the mesa structure part but also to both sides of the mesa structure.
この場合、ＤＦＢレーザ部に対しては、印加した電流がメサ構造の両側の活性層へと広がってしまい、レーザ発振に寄与しない無効電流が増大する。その結果、第１の実施形態にかかるＲｕをドーパントとした半絶縁性ＩｎＰ層による埋め込み構造と比較して、発振閾値電流Ｉｔｈが増大する傾向にある。また、ＥＡ変調器部に対しては、活性層で吸収した光によって発生するフォトキャリアがメサ構造の両脇にドリフトし、蓄積されやすくなる。そしてメサ構造の両脇に蓄積したフォトキャリアによって荷電子帯吸収が起き、Ｒｕをドーパントとした半絶縁性ＩｎＰ層による埋め込み構造と比較して、高速変調時の損失が増大すると考えられる。ＤＦＢレーザ部及びＥＡ変調器部の特性を合わせると、特に高温時に高光出力を得るのが、第１の実施形態と比較すると、より困難になる。 In this case, for the DFB laser part, the applied current spreads to the active layers on both sides of the mesa structure, and the reactive current that does not contribute to laser oscillation increases. As a result, the Ru according to the first embodiment as compared to the buried structure by semi-insulating InP layer and dopant tends to oscillation threshold current I th increases. In the EA modulator section, photocarriers generated by the light absorbed by the active layer drift on both sides of the mesa structure and are likely to be accumulated. The photocarriers accumulated on both sides of the mesa structure cause valence band absorption, and it is considered that the loss during high-speed modulation increases as compared with a buried structure of a semi-insulating InP layer using Ru as a dopant. When the characteristics of the DFB laser unit and the EA modulator unit are combined, it becomes more difficult to obtain a high light output particularly at a high temperature as compared with the first embodiment.
しかしながら、ＤＦＢレーザ部の全長を短くして小さい電流での効率を上げたり、ＥＡ変調器部のＭＱＷ構造を階段的なエネルギーバンド構造を適用したりするなどの工夫をすれば、ＤＦＢレーザ部及びＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＧ及びΔＨの適合値の範囲を求め、その範囲内に設定し、さらに、ＤＦＢレーザの駆動電流を５〜１５ｍＡ程度大きくすることによって、広い温度領域にわたって良好な特性を得ることができる。 However, if the DFB laser unit is shortened to increase the efficiency with a small current, or if a stepwise energy band structure is applied to the MQW structure of the EA modulator unit, the DFB laser unit and By obtaining a range of suitable values for the detuning amounts ΔG and ΔH of the EA modulator section, and setting them within the range, and further increasing the drive current of the DFB laser by about 5 to 15 mA, good characteristics over a wide temperature range Can be obtained.
(第３の実施形態)
第３の実施形態に係るレーザモジュールは、第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザを搭載した、同軸型パッケージを用いた小型のレーザモジュールである。図７（ａ）は、当該レーザモジュールの側面図である。また、図７（ｂ）は、当該レーザモジュールのうち、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザが搭載された部分の内部拡大図である。
(Third embodiment)
The laser module according to the third embodiment is a small laser module using a coaxial package on which the EA modulator integrated DFB laser according to the first embodiment is mounted. FIG. 7A is a side view of the laser module. FIG. 7B is an internal enlarged view of a portion of the laser module on which the EA modulator integrated DFB laser is mounted.
同軸型レーザモジュール３０１は、チップキャリア３０２に搭載されたＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ３０３、これらを搭載したＣＡＮステム３０４、アイソレータを内蔵したレセプタクル部３０５で構成され、電気信号の端子として高周波信号端子３０６、レーザ駆動端子３０７、共通導体端子３０８が付加されている。これらの端子は、フレキシブル基板３０９上に施された回路基板へ接続するためのそれぞれの端子へ、はんだにて電気的に接続されている。
The
ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ３０３を搭載したチップキャリア３０２が、ＣＡＮステム３０４にはんだ付けされる。次に、ＥＡ変調器部と高周波信号端子３０６が、ＤＦＢレーザ部とレーザ駆動端子３０７が、それぞれ、ワイヤボンディングにて電気的に接続される。また、共通導体端子３０８は、ＣＡＮステム３０４にロウ付けされている。共通導体端子３０８により、ＥＡ変調器部とＤＦＢレーザ部とがともに接地されている。ここで特筆すべきは、従来技術に係るレーザモジュールとは異なり、温度調整するためのペルチエ基板は搭載されていない。
A
さらに、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ３０３の後方側に、パワーモニタ用のフォトダイオードが配置され、電気的に接続される。続いて、ＣＡＮステム３０４を覆うように、レンズキャップ３１０がＣＡＮステム３０４上に溶接にて接続される。最後に、アイソレータを内蔵したレセプタクル部３０５が組み立てられ、同軸型レーザモジュール３０１の作製が完了する。
Further, a photodiode for power monitoring is arranged behind the EA modulator integrated
[レーザモジュールの性能評価]
以上により作製されるレーザモジュールについて、伝送速度１０．７Ｇｂｉｔ／ｓにおいて、４０ｋｍ伝送評価を行ったところ、以下の特性を得た。レーザモジュールのケース温度Ｔｃ＝−５℃のとき、レーザ駆動電流Ｉｆ＝４５．６ｍＡ、ＥＡ変調器部の逆バイアス電圧Ｖｅａ＝−２．４５Ｖ、変調振幅電圧Ｖｍｏｄ＝２．０Ｖにおいて、変調時ファイバ光出力Ｐｆｍｏｄ＝３．６ｄＢｍ、動的消光比ＡＣＥＲ＝１０．３ｄＢ、伝送速度１０．７Ｇｂｉｔ／ｓにおけるＳＯＮＥＴ（Synchronous Optical Network）規格のマスクマージンＭＭ＝２６％、パスペナルティＰｐ＝０．８６ｄＢとなった。また、レーザモジュールのケース温度Ｔｃ＝７５℃のとき、レーザ駆動電流Ｉｆ＝１２０ｍＡ、ＥＡ変調器部の逆バイアス電圧Ｖｅａ＝−１．２５Ｖ、変調振幅電圧Ｖｍｏｄ＝１．５５Ｖにおいて、変調時ファイバ光出力Ｐｆｍｏｄ＝１．４ｄＢｍ、動的消光比ＡＣＥＲ＝１３．４ｄＢ、ＳＯＮＥＴ規格のマスクマージンＭＭ＝２２％、パスペナルティＰｐ＝１．４５ｄＢとなった。これらの特性は、ＸＦＰ（ＩＲ）の規格を十分満足する特性である。
[Performance evaluation of laser modules]
When the laser module manufactured as described above was evaluated for 40 km transmission at a transmission speed of 10.7 Gbit / s, the following characteristics were obtained. When the case temperature T c of the laser module is −5 ° C., the laser drive current I f = 45.6 mA, the reverse bias voltage V ea = −2.45 V of the EA modulator, and the modulation amplitude voltage V mod = 2.0 V , Modulation optical fiber power P fmod = 3.6 dBm, dynamic extinction ratio ACER = 10.3 dB, SONET (Synchronous Optical Network) standard mask margin MM = 26% at transmission speed 10.7 Gbit / s, path penalty P p = 0.86 dB. When the laser module case temperature T c = 75 ° C., the laser drive current I f = 120 mA, the EA modulator reverse bias voltage V ea = −1.25 V, and the modulation amplitude voltage V mod = 1.55 V. When modulated, the fiber light output P fmod = 1.4 dBm, the dynamic extinction ratio ACER = 13.4 dB, the SONET standard mask margin MM = 22%, and the path penalty P p = 1.45 dB. These characteristics sufficiently satisfy the XFP (IR) standard.
当該レーザモジュールに搭載したＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザは、第１の実施形態に係るレーザ素子である。ここでは、ＤＦＢレーザ部のデチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）＝１５ｎｍになるよう、ＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＨ（ｔ＝２５）＝９０ｎｍになるよう、設計されて作製されている。 The EA modulator integrated DFB laser mounted on the laser module is the laser element according to the first embodiment. Here, the DFB laser unit is designed and manufactured so that the detuning amount ΔG (t = 25) = 15 nm, and the EA modulator unit detuning amount ΔH (t = 25) = 90 nm.
ＤＦＢレーザ部のデチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）＝１５ｎｍに設計されたことにより、高温においても十分大きな光出力を得ることができる。また、ＥＡ変調器部のメサ構造の活性層として、ＩｎＧａＡｌＡｓからなるＭＱＷ層を用い、メサ構造の両側をＲｕをドーパントとした半絶縁性ＩｎＰ層で埋め込み、かつ、ＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＨ（ｔ＝２５）＝９０ｎｍに設計されたことにより、高消光比と低チャープを両立し、Ｔｃ＝−５℃から７５℃の温度範囲にわたって４０ｋｍ伝送特性を満足する。 Since the detuning amount ΔG (t = 25) = 15 nm of the DFB laser unit is designed, a sufficiently large light output can be obtained even at a high temperature. In addition, an MQW layer made of InGaAlAs is used as the mesa structure active layer of the EA modulator section, both sides of the mesa structure are filled with a semi-insulating InP layer using Ru as a dopant, and the detuning amount of the EA modulator section Since it is designed to have ΔH (t = 25) = 90 nm, both a high extinction ratio and a low chirp are achieved, and a 40 km transmission characteristic is satisfied over a temperature range of Tc = −5 ° C. to 75 ° C.
それにより、温度調整器を必要としないアンクールドタイプとして駆動することが出来る。温度調節器が不要になったため、従来技術に係るクールドタイプまたはセミクールドタイプのＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ素子では困難だった、小型な同軸型レーザモジュールが実現される。 Thereby, it can drive as an uncooled type which does not require a temperature regulator. Since the temperature controller is not necessary, a small coaxial laser module that is difficult with the cooled type or semi-cooled type EA modulator integrated DFB laser element according to the prior art is realized.
なお、本実施形態に係るレーザモジュールとして、第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザが搭載されるレーザモジュールについて、説明したが、第２の実施形態に係るＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザが搭載されるレーザモジュールであってもよい。 The laser module on which the EA modulator integrated DFB laser according to the first embodiment has been described as the laser module according to the present embodiment. However, the EA modulator integrated DFB laser according to the second embodiment has been described. It may be a laser module to be mounted.
(第４の実施形態)
第４の実施形態に係るＸＦＰ光送受信器は、第３の実施形態に係るレーザモジュールと、これとは別に作製された同軸型光受信モジュールとを搭載している。ここで、ＸＦＰ光送受信器とは、ＳＯＮＥＴ、または、１０ＧｂＥ（ギガビットイーサーネット）の着脱モジュールの業界標準規格の一つであるＸＦＰ規格（10 Gbit/s Small Form Factor Pluggable）を満たす光送受信器である。当該光送受信器のサイズは、長さが７８．０ｍｍ、幅が１８．４ｍｍ、高さが８．５ｍｍである。ここで、光受信モジュールは、一般に用いられるものであるため、詳細な特性については説明しない。
(Fourth embodiment)
The XFP optical transceiver according to the fourth embodiment includes the laser module according to the third embodiment and a coaxial optical receiver module manufactured separately from the laser module. Here, the XFP optical transceiver is an optical transceiver that meets the XFP standard (10 Gbit / s Small Form Factor Pluggable), which is one of the industry standards for SONET or 10 GbE (Gigabit Ethernet) detachable modules. is there. The optical transceiver has a length of 78.0 mm, a width of 18.4 mm, and a height of 8.5 mm. Here, since the optical receiver module is generally used, detailed characteristics will not be described.
当該光送信器について、伝送速度１０．７Ｇｂｉｔ／ｓにおいて、４０ｋｍ伝送評価を行ったところ、以下の特性を得た。光送受信器のケース温度Ｔｃ＝−５℃のとき、レーザ駆動電流Ｉｆ＝４６．５ｍＡ、ＥＡ変調器部の逆バイアス電圧Ｖｅａ＝−２．３８Ｖ、変調振幅電圧Ｖｍｏｄ＝２．０Ｖにおいて、変調時ファイバ光出力Ｐｆｍｏｄ＝３．２５ｄＢｍ、動的消光比ＡＣＥＲ＝１０．１ｄＢ、ＳＯＮＥＴ規格のマスクマージンＭＭ＝２７％、パスペナルティＰｐ＝０．９１ｄＢとなった。また、光送受信器のケース温度Ｔｃ＝７０℃のとき、レーザ駆動電流Ｉｆ＝１２０ｍＡ、ＥＡ変調器部の逆バイアス電圧Ｖｅａ＝−１．２３Ｖ、変調振幅電圧Ｖｍｏｄ＝１．５４Ｖにおいて、変調時ファイバ光出力Ｐｆｍｏｄ＝１．２５ｄＢｍ、動的消光比ＡＣＥＲ＝１３．２ｄＢ、ＳＯＮＥＴ規格のマスクマージンＭＭ＝２３％、パスペナルティＰｐ＝１．３５ｄＢとなった。これらの特性は、ＸＦＰ（ＩＲ）の規格を十分満足する特性である。 When the optical transmitter was evaluated for 40 km transmission at a transmission speed of 10.7 Gbit / s, the following characteristics were obtained. When the case temperature T c of the optical transceiver is −5 ° C., the laser drive current I f = 46.5 mA, the reverse bias voltage V ea = −2.38 V of the EA modulator, and the modulation amplitude voltage V mod = 2.0 V , The modulated fiber light output P fmod = 3.25 dBm, the dynamic extinction ratio ACER = 10.1 dB, the SONET standard mask margin MM = 27%, and the path penalty P p = 0.91 dB. Further, when the case temperature T c of the optical transceiver is 70 ° C., the laser drive current I f is 120 mA, the reverse bias voltage V ea of the EA modulator section is −1.23 V, and the modulation amplitude voltage V mod is 1.54 V. The modulated fiber light output P fmod = 1.25 dBm, the dynamic extinction ratio ACER = 13.2 dB, the SONET standard mask margin MM = 23%, and the path penalty P p = 1.35 dB. These characteristics sufficiently satisfy the XFP (IR) standard.
また、このとき、当該ＸＦＰ光送受信器の消費電力Ｐｃは、−５℃以上７５℃以下の範囲のあらゆる温度において、２．３Ｗ以下となり、小型であり低消費電力である長距離伝送用光送受信器となっている。当該ＸＦＰ光送受信器に搭載されるＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ素子は、第１の実施形態に係るレーザ素子であり、アンクールドタイプである。温度調節器を備える従来技術に係るレーザを搭載したＸＦＰ光送受信器では実現困難であった消費電力２．５Ｗ以下という低消費電力が実現されている。 At this time, the power consumption Pc of the XFP optical transceiver is 2.3 W or less at any temperature in the range of −5 ° C. or more and 75 ° C. or less, and is small and low power consumption long-distance transmission light. It is a transceiver. The EA modulator integrated DFB laser element mounted on the XFP optical transceiver is the laser element according to the first embodiment and is an uncooled type. Low power consumption of 2.5 W or less, which has been difficult to achieve with an XFP optical transceiver equipped with a laser according to the prior art equipped with a temperature controller, has been realized.
(第５の実施形態)
第５の実施形態に係るＳＦＰ＋光送受信器は、第３の実施形態に係るレーザモジュールと、これとは別に作製された同軸型光受信モジュールとを搭載している。ここで、ＳＦＰ＋光送受信器とは、８．５ＧｂＥ及び１０ＧｂＥの着脱モジュールの業界標準規格の一つであるＳＦＰ＋規格（8.5 and 10 Gbit/s Small Form Factor Pluggable）を満たす光送受信器である。当該光送受信器は、第４の実施形態にかかる光送受信器よりも、さらに小型の光送受信器であり、サイズは、長さが５６．０ｍｍ、幅が１３．０ｍｍ、高さが８．５ｍｍである。ＳＦＰ＋光送受信器では、ＸＦＰ光送受信器よりも、さらに１Ｗ以上の消費電力の低減が必要とされる。第４の実施形態と同様、ここでは、光受信モジュールの詳細な特性については説明しない。
(Fifth embodiment)
The SFP + optical transceiver according to the fifth embodiment includes the laser module according to the third embodiment and a coaxial optical receiver module manufactured separately from the laser module. Here, the SFP + optical transceiver is an optical transceiver that meets the SFP + standard (8.5 and 10 Gbit / s Small Form Factor Pluggable), which is one of the industry standard standards for 8.5 GbE and 10 GbE removable modules. The optical transceiver is a smaller optical transceiver than the optical transceiver according to the fourth embodiment, and the size is 56.0 mm in length, 13.0 mm in width, and 8.5 mm in height. It is. In the SFP + optical transceiver, the power consumption is further reduced by 1 W or more than in the XFP optical transceiver. As in the fourth embodiment, detailed characteristics of the optical receiving module will not be described here.
当該光送信器について、伝送速度１０．３Ｇｂｉｔ／ｓにおいて、４０ｋｍ伝送評価を行ったところ、以下の特性を得た。光送受信器のケース温度Ｔｃ＝−５℃のとき、レーザ駆動電流Ｉｆ＝４１．２ｍＡ、ＥＡ変調器部の逆バイアス電圧Ｖｅａ＝−２．１２Ｖ、変調振幅電圧Ｖｍｏｄ＝１．２０Ｖにおいて、変調時ファイバ光出力Ｐｆｍｏｄ＝２．１８ｄＢｍ、動的消光比ＡＣＥＲ＝８．６ｄＢ、１０．３Ｇｂｉｔ／ｓにおけるＧｂＥ（ギガビットイーサーネット）規格のマスクマージンＭＭ＝６０％、光変調振幅ＯＭＡ＝３．９４ｄＢｍ、パスペナルティＰｐ＝０．８８ｄＢとなった。また、光送受信器のケース温度Ｔｃ＝７０℃のとき、レーザ駆動電流Ｉｆ＝７０ｍＡ、ＥＡ変調器部の逆バイアス電圧Ｖｅａ＝−０．９６Ｖ、変調振幅電圧Ｖｍｏｄ＝１．２０Ｖにおいて、変調時ファイバ光出力Ｐｆｍｏｄ＝−０．３２ｄＢｍ、動的消光比ＡＣＥＲ＝１２．３ｄＢ、ＧｂＥ規格のマスクマージンＭＭ＝５４％、光変調振幅ＯＭＡ＝２．１８ｄＢｍ、パスペナルティＰｐ＝１．３８ｄＢとなった。これらの特性は、ＳＦＰ＋（ＥＲ）の規格を十分満足する特性である。 When the optical transmitter was evaluated for 40 km transmission at a transmission rate of 10.3 Gbit / s, the following characteristics were obtained. When the case temperature Tc of the optical transceiver is −5 ° C., the laser drive current I f = 41.2 mA, the reverse bias voltage V ea = −2.12 V of the EA modulator, and the modulation amplitude voltage V mod = 1.20 V , Modulated fiber light output P fmod = 2.18 dBm, dynamic extinction ratio ACER = 8.6 dB, 10.3 Gbit / s GbE (Gigabit Ethernet) standard mask margin MM = 60%, optical modulation amplitude OMA = 3 It was .94 dBm, and the pass penalty P p was 0.88 dB. Further, when the optical transceiver case temperature Tc = 70 ° C., the laser drive current I f = 70 mA, the EA modulator reverse bias voltage V ea = −0.96 V, and the modulation amplitude voltage V mod = 1.20 V. Modulated fiber light output P fmod = −0.32 dBm, dynamic extinction ratio ACER = 12.3 dB, GbE standard mask margin MM = 54%, optical modulation amplitude OMA = 2.18 dBm, path penalty P p = 1.38 dB It became. These characteristics are characteristics that sufficiently satisfy the SFP + (ER) standard.
また、このとき、当該ＳＦＰ＋光送受信器の消費電力Ｐｃは、−５℃以上７０℃以下温度領域のあらゆる温度において、１．３Ｗ以下となり、第４の実施形態に係る光送受信器より、さらに小型でありさらに低消費電力である長距離伝送用光送受信器となっている。 At this time, the power consumption Pc of the SFP + optical transceiver is 1.3 W or less at any temperature in the temperature range of −5 ° C. or more and 70 ° C. or less, which is more than that of the optical transceiver according to the fourth embodiment. This is an optical transceiver for long-distance transmission that is small in size and further consumes low power.
本実施形態に係る光送受信器は、光送受信器のケース温度Ｔｃ＝７０℃においても、レーザ駆動電流Ｉｆ＝７０ｍＡという小さい駆動電流で駆動が行われおり、また、変調振幅電圧Ｖｍｏｄ＝１．２０Ｖという固定された変調振幅電圧で、規格を満足する特性が得られていることが、第４の実施形態に係る光送受信器と大きく異なる。 The optical transceiver according to the present embodiment is driven with a small driving current of laser driving current I f = 70 mA even at the case temperature T c = 70 ° C. of the optical transceiver, and the modulation amplitude voltage V mod = The characteristic satisfying the standard is obtained with a fixed modulation amplitude voltage of 1.20 V, which is greatly different from the optical transceiver according to the fourth embodiment.
本実施形態に係る光送受信器に搭載されたアンクールドタイプのＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザにおいて、ＤＦＢレーザ部のデチューニング量ΔＧが適合値となるよう設計されたこと、Ｒｕをドーパントとした半絶縁性ＩｎＰ層による埋め込み構造をＥＡ変調器部が有していることにより、高温時においても発振閾値電流Ｉｔｈが小さい値で維持され、高い光出力が得られたため、小さいレーザ駆動電流Ｉｆで駆動される場合であっても、ＳＦＰ＋（ＥＲ）光送受信器の変調時ファイバ光出力Ｐｆｍｏｄが−４．７ｄＢｍ以上、かつ、光変調振幅ＯＭＡが−１．７ｄＢｍ以上という規格を満足する。 In the uncooled type EA modulator integrated DFB laser mounted on the optical transceiver according to the present embodiment, the DFB laser unit is designed so that the detuning amount ΔG becomes a suitable value, and semi-insulating with Ru as a dopant. by the embedded structure by sex InP layer EA modulator section has also been maintained in oscillation threshold current I th is smaller at high temperature, since the high light output is obtained, the drive with a small laser drive current If Even in this case, the fiber light output P fmod during modulation of the SFP + (ER) optical transceiver satisfies the standard of −4.7 dBm or more and the optical modulation amplitude OMA of −1.7 dBm or more.
また、ＥＡ変調器部のメサ構造の活性層として、ＩｎＧａＡｌＡｓ系からなるＭＱＷ層を用い、メサ構造の両脇をＲｕをドーパントとした半絶縁性ＩｎＰ層で埋め込み、かつ、ＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＨを適合値に設計されたことにより、低温時においても１．２０Ｖという小さな変調振幅電圧で、動的消光比ＡＣＥＲが８．５ｄＢ以上の値をとる。さらに、ＤＦＢレーザ部のデチューニング量ΔＧも適合値に設計されたことにより、低温時でも十分小さい値の発振閾値電流が維持され、小さいレーザ駆動電流Ｉｆで駆動される場合であっても、高光出力を実現できた。以上により、低温でも光変調振幅ＯＭＡの規格を十分満足できる。 In addition, as the active layer of the mesa structure of the EA modulator section, an MQW layer made of InGaAlAs is used, both sides of the mesa structure are embedded with a semi-insulating InP layer using Ru as a dopant, Since the tuning amount ΔH is designed to be an appropriate value, the dynamic extinction ratio ACER is 8.5 dB or more with a small modulation amplitude voltage of 1.20 V even at low temperatures. Further, since the detuning amount ΔG of the DFB laser unit is designed to be an appropriate value, a sufficiently small oscillation threshold current is maintained even at a low temperature, and even when driven with a small laser driving current If, high light Output was realized. As described above, the standard of the light modulation amplitude OMA can be sufficiently satisfied even at a low temperature.
変調振幅電圧Ｖｍｏｄが、温度によらず固定して用いられるということは、光送受信器内のマイコンに記憶させる項目を減らすことができ、また、検査工程にかかる時間を短縮することができ、低コスト化へつながる利点がある。 The fact that the modulation amplitude voltage V mod is fixed regardless of the temperature can reduce the items to be stored in the microcomputer in the optical transceiver, and can reduce the time required for the inspection process. There is an advantage that leads to cost reduction.
本発明によって、従来技術よりさらに小型でさらに低消費電力の長距離伝送用レーザモジュールや光送受信器を実現することができる。また、レーザモジュール内に温度調整器が不要となるため、さらに低コスト化も同時に実現でき、産業上非常に有効な発明である。 According to the present invention, it is possible to realize a long-distance transmission laser module and an optical transceiver that are smaller and consume less power than the conventional technology. Further, since a temperature regulator is not required in the laser module, further cost reduction can be realized at the same time, which is an industrially very effective invention.
１０１ ｎ型半導体基板、１０２ ｎ型ＩｎＰバッファ層、１０３ ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ下側ガイド層、１０４ ＭＱＷ層、１０５ ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ上側ガイド層、１０６ ＥＡ変調器部、１０７ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層、１０８ ＭＷＱ層、１０９ ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層、１１０ ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、１１１ ＤＦＢレーザ部、１１２ ｐ型ＩｎＰクラッド層、１１３ ｐ型コンタクト層、１１４ 半絶縁性ＩｎＰ層、１１５ パッシベーション膜、１１６ ｐ電極、１１７ ｎ電極、１１８ 高反射膜、１１９ 無反射膜、２０１ ｎ型半導体基板、２０２ ｎ型ＩｎＰバッファ層、２０３ ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ下側ガイド層、２０４ ＭＱＷ層、２０５ ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ上側ガイド層、２０６ ｐ型ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層、２０７ ＥＡ変調器部、２０８ ＤＦＢレーザ部、２０９ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層、２１０ ＭＱＷ層、２１１ ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層、２１２ ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、２１３ ｐ型ＩｎＰクラッド層、２１４ ｐ型コンタクト層、２１５ パッシベーション膜、２１６ ポリイミド樹脂、２１７ ｐ電極、２１８ ｎ電極、２１９ 高反射膜、２２０ 無反射膜、３０１ 同軸型レーザモジュール、３０２ チップキャリア、３０３ ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ、３０４ ＣＡＮステム、３０５ レセプタクル部、３０６ 高周波信号端子、３０７ レーザ駆動端子、３０８ 共通導体端子、３０９ フレキシブル基板、３１０ レンズキャップ。 101 n-type semiconductor substrate, 102 n-type InP buffer layer, 103 n-type InGaAlAs lower guide layer, 104 MQW layer, 105 p-type InGaAlAs upper guide layer, 106 EA modulator section, 107 n-type InGaAsP lower guide layer, 108 MWQ layer, 109 p-type InGaAsP upper guide layer, 110 p-type InGaAsP diffraction grating layer, 111 DFB laser part, 112 p-type InP clad layer, 113 p-type contact layer, 114 semi-insulating InP layer, 115 passivation film, 116 p Electrode, 117 n electrode, 118 high reflection film, 119 non-reflection film, 201 n-type semiconductor substrate, 202 n-type InP buffer layer, 203 n-type InGaAlAs lower guide layer, 204 MQW layer, 205 p-type InGaAlAs upper guide layer, 206 p InGaAsP etch stop layer, 207 EA modulator section, 208 DFB laser section, 209 n-type InGaAsP lower guide layer, 210 MQW layer, 211 p-type InGaAsP upper guide layer, 212 p-type InGaAsP diffraction grating layer, 213 p-type InP cladding Layer, 214 p-type contact layer, 215 passivation film, 216 polyimide resin, 217 p-electrode, 218 n-electrode, 219 high-reflection film, 220 non-reflection film, 301 coaxial laser module, 302 chip carrier, 303 EA modulator integrated DFB Laser, 304 CAN stem, 305 receptacle, 306 high frequency signal terminal, 307 laser drive terminal, 308 common conductor terminal, 309 flexible substrate, 310 lens cap.
Claims (8)
前記変調器部は、インジウムガリウムアルミニウム砒素を含む量子井戸層と、該量子井戸層の両側部に隣接して配置される半絶縁半導体からなる埋め込み層と、を含み、
前記埋め込み層は、不純物としてルテニウムが添加される、ことを特徴とするレーザ素子の製造方法であって、
所定の温度において、レーザ光の発振波長と利得ピーク波長の差がそれぞれ異なる複数の前記レーザ部それぞれについて、所定の温度領域の最低温度及び最高温度における発振閾値電流を測定するステップと、
複数の前記レーザ部それぞれについて、前記最低温度における発振スペクトルを測定するステップと、
前記最低温度において、前記発振閾値電流と前記発振スペクトルに基づいて、所定の発振波長に対する前記利得ピーク波長の下限値を求めるステップと、
前記最高温度において、前記発振閾値電流に基づいて、前記所定の発振波長に対する前記利得ピーク波長の上限値を求めるステップと、
所定の温度において、前記レーザ部のレーザ光の発振波長と前記変調器部のフォトルミネッセンス波長の差がそれぞれ異なる複数の前記変調器部それぞれについて、
前記最低温度における動的消光比を測定するステップと、
複数の前記変調器部それぞれについて、前記最高温度における基礎吸収による挿入損を測定するステップと、
前記動的消光比の値が、所定の値以上となる、前記所定の発振波長に対する前記フォトルミネッセンス波長の下限値を求めるステップと、
前記挿入損の値が、所定の値以下となる、前記所定の発振波長に対する前記フォトルミネッセンス波長の上限値を求めるステップと、
前記上限値と前記下限値を満たす前記利得ピーク波長となるよう、前記レーザ部を形成するステップと、
前記上限値と前記下限値を満たす前記フォトルミネッセンス波長となるよう、前記変調器部を形成するステップと、
を含むレーザ素子の製造方法。 A distributed feedback laser unit and an electroabsorption modulator unit disposed on the output side of the laser unit are laser elements formed on the same substrate,
The modulator section includes a quantum well layer containing indium gallium aluminum arsenide, and a buried layer made of a semi-insulating semiconductor disposed adjacent to both sides of the quantum well layer,
The buried layer is a method for manufacturing a laser element, wherein ruthenium is added as an impurity,
Measuring the oscillation threshold current at a minimum temperature and a maximum temperature in a predetermined temperature range for each of the plurality of laser units, each having a difference between the oscillation wavelength of the laser beam and the gain peak wavelength at a predetermined temperature; and
Measuring an oscillation spectrum at the lowest temperature for each of the plurality of laser units;
Obtaining a lower limit value of the gain peak wavelength for a predetermined oscillation wavelength based on the oscillation threshold current and the oscillation spectrum at the lowest temperature;
Obtaining an upper limit of the gain peak wavelength with respect to the predetermined oscillation wavelength based on the oscillation threshold current at the maximum temperature;
At a predetermined temperature, for each of the plurality of modulator units, the difference between the oscillation wavelength of the laser light of the laser unit and the photoluminescence wavelength of the modulator unit, respectively,
Measuring a dynamic extinction ratio at the lowest temperature;
For each of the plurality of modulator sections, measuring insertion loss due to fundamental absorption at the maximum temperature;
Obtaining a lower limit value of the photoluminescence wavelength for the predetermined oscillation wavelength, wherein the value of the dynamic extinction ratio is not less than a predetermined value;
Obtaining an upper limit value of the photoluminescence wavelength for the predetermined oscillation wavelength, wherein the value of the insertion loss is not more than a predetermined value;
Forming the laser part so that the gain peak wavelength satisfies the upper limit and the lower limit; and
Forming the modulator section to be the photoluminescence wavelength that satisfies the upper limit and the lower limit; and
A method for manufacturing a laser element including:
前記変調器部は、インジウムガリウムアルミニウム砒素を含む量子井戸層を含み、前記量子井戸層の上方にリッジ構造が配置される、ことを特徴とするレーザ素子の製造方法であって、
所定の温度において、レーザ光の発振波長と利得ピーク波長の差がそれぞれ異なる複数の前記レーザ部それぞれについて、所定の温度領域の最低温度及び最高温度における発振閾値電流を測定するステップと、
複数の前記レーザ部それぞれについて、前記最低温度における発振スペクトルを測定するステップと、
前記最低温度において、前記発振閾値電流と前記発振スペクトルに基づいて、所定の発振波長に対する前記利得ピーク波長の下限値を求めるステップと、
前記最高温度において、前記発振閾値電流に基づいて、前記所定の発振波長に対する前記利得ピーク波長の上限値を求めるステップと、
所定の温度において、前記レーザ部のレーザ光の発振波長と前記変調器部のフォトルミネッセンス波長の差がそれぞれ異なる複数の前記変調器部それぞれについて、
前記最低温度における動的消光比を測定するステップと、
複数の前記変調器部それぞれについて、前記最高温度における基礎吸収による挿入損を測定するステップと、
前記動的消光比の値が、所定の値以上となる、前記所定の発振波長に対する前記フォトルミネッセンス波長の下限値を求めるステップと、
前記挿入損の値が、所定の値以下となる、前記所定の発振波長に対する前記フォトルミネッセンス波長の上限値を求めるステップと、
前記上限値と前記下限値を満たす前記利得ピーク波長となるよう、前記レーザ部を形成するステップと、
前記上限値と前記下限値を満たす前記フォトルミネッセンス波長となるよう、前記変調器部を形成するステップと、
を含むレーザ素子の製造方法。 A distributed feedback laser unit and an electroabsorption modulator unit disposed on the output side of the laser unit are laser elements formed on the same substrate,
The modulator section includes a quantum well layer containing indium gallium aluminum arsenide, and a ridge structure is disposed above the quantum well layer,
Measuring the oscillation threshold current at a minimum temperature and a maximum temperature in a predetermined temperature range for each of the plurality of laser units, each having a difference between the oscillation wavelength of the laser beam and the gain peak wavelength at a predetermined temperature; and
Measuring an oscillation spectrum at the lowest temperature for each of the plurality of laser units;
Obtaining a lower limit value of the gain peak wavelength for a predetermined oscillation wavelength based on the oscillation threshold current and the oscillation spectrum at the lowest temperature;
Obtaining an upper limit of the gain peak wavelength with respect to the predetermined oscillation wavelength based on the oscillation threshold current at the maximum temperature;
At a predetermined temperature, for each of the plurality of modulator units, the difference between the oscillation wavelength of the laser light of the laser unit and the photoluminescence wavelength of the modulator unit, respectively,
Measuring a dynamic extinction ratio at the lowest temperature;
For each of the plurality of modulator sections, measuring insertion loss due to fundamental absorption at the maximum temperature;
Obtaining a lower limit value of the photoluminescence wavelength for the predetermined oscillation wavelength, wherein the value of the dynamic extinction ratio is not less than a predetermined value;
Obtaining an upper limit value of the photoluminescence wavelength for the predetermined oscillation wavelength, wherein the value of the insertion loss is not more than a predetermined value;
Forming the laser part so that the gain peak wavelength satisfies the upper limit and the lower limit; and
Forming the modulator section to be the photoluminescence wavelength that satisfies the upper limit and the lower limit; and
A method for manufacturing a laser element including:
前記変調器部は、インジウムガリウムアルミニウム砒素を含む量子井戸層と、該量子井戸層の両側部に隣接して配置される半絶縁半導体からなる埋め込み層と、を含み、
前記埋め込み層は、不純物としてルテニウムが添加され、
２５℃における前記レーザ部の発振波長が１４６０ｎｍ以上１６３０ｎｍ以下のいずれかであって、
２５℃における前記レーザ部の利得ピーク波長の上限値が、２５℃における前記発振波長より１０ｎｍ短く、
２５℃における前記利得ピーク波長の下限値が、２５℃における前記発振波長より２５ｎｍ短く、
２５℃における前記変調器部のフォトルミネッセンス波長の上限値が、２５℃における前記発振波長より８０ｎｍ短く、
２５℃における前記フォトルミネッセンス波長の下限値が、２５℃における前記発振波長より１００ｎｍ短い、
ことを特徴とするレーザ素子。 A distributed feedback laser unit and an electroabsorption modulator unit disposed on the output side of the laser unit are laser elements formed on the same substrate,
The modulator section includes a quantum well layer containing indium gallium aluminum arsenide, and a buried layer made of a semi-insulating semiconductor disposed adjacent to both sides of the quantum well layer,
The buried layer is doped with ruthenium as an impurity,
The oscillation wavelength of the laser part at 25 ° C. is any one of 1460 nm to 1630 nm,
The upper limit of the gain peak wavelength of the laser part at 25 ° C. is 10 nm shorter than the oscillation wavelength at 25 ° C.
The lower limit of the gain peak wavelength at 25 ° C. is 25 nm shorter than the oscillation wavelength at 25 ° C.,
The upper limit of the photoluminescence wavelength of the modulator section at 25 ° C is 80 nm shorter than the oscillation wavelength at 25 ° C,
The lower limit of the photoluminescence wavelength at 25 ° C. is 100 nm shorter than the oscillation wavelength at 25 ° C .;
A laser element characterized by that.
前記変調器部は、インジウムガリウムアルミニウム砒素を含む量子井戸層を含み、前記量子井戸層の上方にリッジ構造が配置され、
２５℃における前記レーザ部の発振波長が１４６０ｎｍ以上１６３０ｎｍ以下のいずれかであって、
２５℃における前記レーザ部の利得ピーク波長の上限値が、２５℃における前記発振波長より１０ｎｍ短く、
２５℃における前記利得ピーク波長の下限値が、２５℃における前記発振波長より２５ｎｍ短く、
２５℃における前記変調器部のフォトルミネッセンス波長の上限値が、２５℃における前記発振波長より８０ｎｍ短く、
２５℃における前記フォトルミネッセンス波長の下限値が、２５℃における前記発振波長より１００ｎｍ短い、
ことを特徴とするレーザ素子。 A distributed feedback laser unit and an electroabsorption modulator unit disposed on the output side of the laser unit are laser elements formed on the same substrate,
The modulator portion includes a quantum well layer containing indium gallium aluminum arsenide, and a ridge structure is disposed above the quantum well layer,
The oscillation wavelength of the laser part at 25 ° C. is any one of 1460 nm to 1630 nm,
The upper limit of the gain peak wavelength of the laser part at 25 ° C. is 10 nm shorter than the oscillation wavelength at 25 ° C.
The lower limit of the gain peak wavelength at 25 ° C. is 25 nm shorter than the oscillation wavelength at 25 ° C.,
The upper limit of the photoluminescence wavelength of the modulator section at 25 ° C is 80 nm shorter than the oscillation wavelength at 25 ° C,
The lower limit of the photoluminescence wavelength at 25 ° C. is 100 nm shorter than the oscillation wavelength at 25 ° C .;
A laser element characterized by that.
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