JPWO2005096463A1 - 面発光レーザおよびその駆動方法 - Google Patents
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Abstract
レーザドライバICを不要化してデジタルLSIのI/Oポートの差動電圧出力により直接に低電圧変調することができる面発光レーザを提供する。層厚方向に一定の光強度分布を持ったレーザ共振器を有し、このレーザ共振器内に、活性層6、コンタクト層8、活性層4より屈折率が所定の範囲内で小さい高抵抗層9、コンタクト層10、層厚方向に発振するレーザ光に対する光吸収係数が印加電圧に応じて変化する光吸収変調層12が順次積層された層構造を有する。この層構造は上記レーザ光の波長の3/2倍または2倍の実効長を持ち、活性層6と光吸収変調層12は高抵抗層11によって直流電気的に分離されており、これら活性層6および光吸収変調層12のそれぞれが上記光強度分布の異なるピーク位置付近に配置され、コンタクト層8、11のそれぞれが上記光強度分布の異なる谷の位置付近に配置されている。
Description
本発明は、光通信の光源として用いられる面発光レーザおよびその駆動方法に関する。
近年、面発光レーザは実用的となり、様々な光通信用途への適用が検討されている。面発光レーザは、端面発光型レーザに比べて、低消費電力、安価などのメリットがあることから、この面発光レーザを用いることにより、低消費電力、小型、安価な光送信モジュールの実現が期待される。特に、ボード間あるいはチップ間(LSI間)等の光通信である光インターコネクションにおいては、限られた領域に密に光送信モジュールを実装する必要があるため、このような用途の光送信モジュールには、小型で低消費電力の面発光レーザが必須と考えられる。
図1は、従来の0.85μm帯の面発光レーザの構造を示す断面図である。n型GaAs基板81上に、n型ブラッグ反射ミラー82、n型クラッド層83、活性層84、p型クラッド層85、p型AlGaAs層86、p型ブラッグ反射ミラー87が順次積層されている。p型ブラッグ反射ミラー87に接してp電極91が、n型クラッド層83に接してn電極92がそれぞれ形成されている。p電極91にはレーザ光を取り出すための開口90が形成されている。
電流狭窄のために、p型層の領域には電流開口を持った絶縁層88が形成されている。電流開口のサイズは、レーザ光の横モードを整形するためにも小さいことが望ましく、このサイズが小さいほど安定した基本横モード発振を得られる。また、二つのブラッグ反射ミラー82、87によりレーザ共振器が形成されているが、これら反射ミラーの反射率を99%程度の高反射率にすることで共振器のミラー損失を数cm-1と小さくし、さらに、絶縁層88の電流開口を5〜10μmφとして電流を小さい領域に閉じ込めることで、低い発振閾値を得られる。さらに、寄生容量低減のために、p型層、絶縁層、活性層の部分の外縁はポスト形状89にエッチング加工されている。このような構造の面発光レーザによれば、低発振閾値電流が1mA程度、光出力が数mW程度で、2mW程度の平均光出力で10GHz程度の変調帯域が得られる。
上述したような2個のブラッグ反射ミラーで活性層を挟んだ共振器構造を有する面発光レーザにおいては、共振器長方向の光強度分布の設計が重要である。図2に、図1に示した面発光レーザの活性層面内中心位置での共振器長方向の層構造と光強度分布の例を示す。
図2において、n型ブラッグ反射ミラー82はレーザ光波長λの1/4の実効長をもつ層101とレーザ光波長λの1/4の実効長をもつ層102とが交互に積層されたものである。層101より層102の方が低屈折率になっている。p型ブラッグ反射ミラー87は、レーザ光波長λの1/4の実効長をもつ層103とレーザ光波長λの1/4の実効長をもつ層104とが交互に積層されたものである。層103より層104の方が低屈折率になっている。
レーザ発振閾値低減のためには、利得媒質である活性層84で光強度分布が最大となることが必要である。また、レーザ光変調帯域は活性層84における光強度の平方根に比例するため、変調帯域増大のためにも活性層84における光強度をできるだけ大きくする必要がある。これには、図2における光強度分布の共振器全体での積分値に対して活性層84での光強度積分値を高めることも重要であり、レーザ共振器を短くすることが有効である。このような共振器構造として、通常は、図2に示すように、2つのブラッグ反射ミラー82、87に挟まれた面発光レーザ層構造が、レーザ光の1波長分の実効長を持ち、活性層84で光強度が最大となる共振器構造が用いられる。この共振器構造は、λ−キャビティと呼ばれている(例えば、Iga、IEEE J. Select. Topics in Quantum Electron, vol. 6, 1201 (2000)参照)。
上述のような面発光レーザは、直接電流変調で駆動される。図3に、図1に示した面発光レーザの駆動回路の例を示す。この駆動回路は、図1に示した面発光レーザよりなる面発光レーザチップ94を駆動するレーザドライバIC95と、このレーザドライバIC95に電圧信号Vmを供給するデジタルLSI96とからなる。面発光レーザチップ94の活性層周辺のpn接合部分はダイオード93で表されている。
デジタルLSI96のI/OポートからレーザドライバIC95に電圧信号Vmが入力される。レーザドライバIC95は、アナログICであって、デジタルLSI96から入力された電圧信号Vmをレーザ変調電流Imに変換する。レーザ変調電流Imは、p電極91およびn電極92を通じて面発光レーザチップ94に供給される。また、レーザドライバIC95は、DCバイアス電流IDCをレーザ変調電流Imに重畳してダイオード93に供給する機能を持つ。
以上のような面発光レーザが広く使われているが、この他に光変調器を集積した面発光レーザ(以下、光変調器集積型面発光レーザと呼ぶ)も提案されている。図4に、光変調器集積型面発光レーザの構造例を示す(特開平2003-202529号公報参照)。
図4を参照すると、n型GaAs基板201上に、n型ブラッグ反射ミラー202、n型クラッド層203、活性層204、p型クラッド層205、206、p型コンタクト層207、AlAsを酸化して形成されたAlOx絶縁層208、n型コンタクト層209、ノンドープ多重量子井戸層210、p型コンタクト層211、p型ブラッグ反射ミラー212が順次形成されている。また、p型クラッド層206を取り囲むように、電流狭窄のための絶縁層219が形成されている。さらに、n型基板201に接してn電極213が、p型コンタクト層207に接してp電極214が、n型コンタクト層209に接してn電極215が、p型コンタクト層211に接してp電極216がそれぞれ形成されている。
2つのブラッグ反射ミラーによりレーザ共振器が形成されている。共振器内部には、利得媒質である活性層204以外に、印加電圧によってレーザ光に対する光吸収係数が増加するノンドープ多重量子井戸層210が挿入されており、変調した印加電圧によりレーザ内部損失を変調することで面発光レーザ出力を変調するようになっている。すなわち、n型コンタクト層209、ノンドープ多重量子井戸層210、p型コンタクト層211は、PIN構造の光変調器を構成している。
図5に、図4の光変調器集積型面発光レーザの駆動回路の例を示す。面発光レーザチップ222は、面発光レーザチップ222の活性層204周辺のpn接合を表すダイオード220と、ノンドープ多重量子井戸層210周辺のpn接合を表すダイオード221とを含む。p電極214とn電極213の間に順バイアス電圧VDCを印加し、順バイアス電流により活性層204を発光させる。光変調は、p電極216とn電極215の間に変調電圧を印加して多重量子井戸層210の光吸収係数を変調し、レーザの内部損失を変調することで行う。図4に示した層構造では、活性層204と多重量子井戸層210の間に絶縁層208を挿入することで、おのおのを直流電気的に分離している。
このような面発光レーザにおいても、共振器長方向の光強度分布の設計は重要である。上述した通常の面発光レーザと同様に、発振閾値低減のためには利得媒質である活性層204で光強度が大きくなることが必要である。さらに、多重量子井戸層210の光吸収変化により効果的にレーザ内部損失を変調するためには、光吸収変調層である多重量子井戸層210で光強度が大きくなることが必要である。以上の理由により、ブラッグ反射ミラーに挟まれた層構造が、レーザ光の1/2波長の整数倍の実効長を持ち、活性層204と多重量子井戸層210で光強度がピークとなるように層厚が設定されている。
以上に説明した従来の面発光レーザには、それぞれ以下のような問題点がある。
まず、広く一般に使われている通常の面発光レーザ(図1)の問題点について説明する。この面発光レーザは、前述のように直接電流変調で駆動される。このような直接電流変調による駆動では、デジタルLSIからの出力電圧信号を面発光レーザ駆動用の電流に変換するレーザドライバICが必須とされる。このレーザドライバICの消費電力は、面発光レーザの消費電力の10倍以上である。このため、光モジュールの更なる低消費電力化・小型化の為には、レーザドライバICが不要で、デジタルLSIによる直接変調が可能な面発光レーザが望まれる。特に、高密度に多チャンネルの光配線を形成する必要のある光インターコネクションにおいては、レーザドライバICを必要とする構成は、消費電力だけでなく実装密度も制限されることになるため、大きな問題となる。このようなことから、レーザドライバICが不要でデジタルLSIにより直接変調が可能な面発光レーザは、光インターコネクションにおけるキーデバイスとされている。
次に、図4に示した光変調器集積型面発光レーザの問題点について説明する。この光変調器集積型面発光レーザでは、レーザ光変調は光変調器の電圧変調で行うようになっているため、面発光レーザ活性層には別途DCバイアス電流を流しておけば、デジタルLSIの出力電圧信号で光変調器を直接駆動してレーザ光を変調することが可能である。ただし、この場合は、以下の3つの条件を満たす必要がある。
第1に、光変調器の変調電圧が十分に低い必要がある(第1の条件)。
第2に、デジタルLSIのI/Oポートは、通常、差動電圧出力となっているため、これに対応する必要がある(第2の条件)。特に、近年では、差動電圧出力は±0.5V以下にまで低減されており、このような低電圧の差動出力で駆動できることが必要である。
第3に、無バイアス変調できることが必要である(第3の条件)。光変調器の差動電圧駆動が可能である場合は、差動動作の中心電圧がデジタルLSIのI/Oポートのそれ(グランドレベル)と一致するために、光変調器は無バイアス変調できる。すなわち、DCバイアス電圧が不要となる。なお、差動動作の中心電圧が異なっている場合は、光変調器に別途DCバイアス電圧を供給することが必要となる。この場合は、光吸収変調層にDCバイアス電圧を印加するためのインダクタ、及び光変調器−LSI間の直流カットのためのキャパシタが必要となり(バイアスティーの形成)、これら受動素子の実装のために、広い実装面積が必要になってしまう。
以上をまとめると、デジタルLSIによる光変調器集積型面発光レーザの直接駆動のためには、光変調器を無バイアス、かつ、低電圧差動電圧で変調動作できることが必要である。
以上の観点から、図4に示した従来の光変調器集積型面発光レーザの構造を見てみる。第1の条件については、2つのブラッグ反射ミラーに挟まれた層構造がレーザ光の1/2波長の整数倍の実効長を持ち、活性層と光吸収変調層で光強度がピークとなることが示されている。第2の条件については、活性層と光吸収変調層の間に絶縁層を挿入して光吸収変調層を電位的に分離することが示されている。しかしながら、光強度分布の設計については十分に示されておらず、第3の条件については、課題認識さえも示されていない。この点について、以下に詳細に説明する。
図6は、光吸収変調層であるノンドープ多重量子井戸層210を構成する一つの量子井戸に電界を印加した時の、レーザ光に対する光吸収係数の変化を模式的に示したものである。電界は、ノンドープ多重量子井戸層210を含むPIN構造のビルトイン電界と、外部電圧を印加することにより発生する電界の和である。光吸収変調層に用いられる量子井戸は、電界がかかっていない状態での量子井戸吸収端エネルギーがレーザ光エネルギーよりも数十meVほど高くなるように設定される。量子井戸は、例えば活性層より若干バンドギャップの大きなAlGaAs層よりなり、これを挟むバリア層は、量子井戸層よりバンドギャップの大きなAlGaAs層で形成される。このような構造においては、電界強度が大きくなるにつれ、量子井戸の吸収端エネルギーが、量子閉じ込めシュタルク効果により低エネルギー側にシフトする。このため、光吸収係数は電界強度と共に急速に増加するが、高い電界では光吸収は飽和してくる。
一方、光吸収変調層(I型層)は、基板側のp型層と表面側のn型層とで挟まれており、これによりPIN構造を構成している。このPIN構造では、無バイアス状態でI層に高いビルトイン電界(FB)が存在するため、このビルトイン電界(FB)に加えて変調電圧で変化する変調電界(ΔF)が加えられることになる。ビルトイン電界(FB)に変調電界(ΔF)を加えた電界がかけられた場合、動作領域が光吸収の飽和領域となってしまい、小さな光吸収変化(Δα1)しか得られなくなる。このため、変調動作時の消光比が十分に取れず、変調効率が低くなってしまう。
なお、光変調器にDCバイアス電圧を印加すれば、飽和領域でない適当な電界強度領域にもっていけるが、前述のようにデジタルLSIによる直接変調動作を実現するには、光変調器のバイアス電圧回路を必要としない無バイアス変調が望ましい。また、光吸収変調層(I型層)の両側にI層を挿入してI層全体を厚くすれば、ビルトイン電界は低下するが、I層が厚いと同じ変調電圧でも変化できる量子井戸電界強度が低下することになるため、低電圧変調とは逆行することになる。
本発明の目的は、以上に述べた問題点を解決し、レーザドライバICを不要化してデジタルLSIのI/Oポートの差動電圧出力により直接に低電圧変調することができる面発光レーザを提供することにある。
本発明のさらなる目的は、そのような面発光レーザを実現することのできる光変調器を提供することにある。
本発明の他の目的は、そのような面発光レーザを駆動する方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の面発光レーザの第1の態様は、層厚方向にレーザ共振器を有する面発光レーザにおいて、前記レーザ共振器内に、活性層、第1のコンタクト層、前記活性層より屈折率が所定の範囲で小さい高抵抗層、第2のコンタクト層、層厚方向に発振するレーザ光に対する光吸収係数が印加電圧に応じて変化する光吸収変調層が順次積層された層構造を有し、前記層構造は前記レーザ光の波長の3/2倍または2倍の実効長を持ち、前記活性層と前記光吸収変調層は前記高抵抗層によって直流電気的に分離されており、これら活性層および光吸収変調層のそれぞれが光強度分布の異なるピーク位置付近に配置され、前記第1および第2のコンタクト層のそれぞれが前記光強度分布の異なる谷の位置付近に配置されていることを特徴とする。ここで、所定の範囲とは反射によるロスを考慮する必要のない範囲であって、具体的には数%である。
上記の構成によれば、層構造の実効長、すなわちレーザ共振器長はレーザ光波長の3/2または2倍の長さといった可能な限り短いものとなっており、これにより光強度分布の共振器全体での積分値に対して活性層での光強度積分値を高めることが可能となっている。
また、高抵抗層の屈折率を反射によるロスを考慮する必要のない範囲とすることで、光強度分布に関係なく高抵抗層の配置を行うことが可能となっている。
さらに、活性層および光吸収変調層は光強度分布のピーク位置付近に配置されるため、レーザ発振が効率良く行われるとともに、光の吸収が効率良く行われる。
さらに、第1および第2のコンタクト層は、通常、高濃度のドーパントが行われるが、その配置は光強度分布の谷付近とされるので、キャリアの光吸収によるロスはより少ないものとなっている。
さらに、活性層と光吸収変調層は高抵抗層によって直流電気的に分離されているので、活性層へのDCバイアス電流の供給と光吸収変調層への変調電圧の供給をそれぞれ独立した回路で行うことが可能となっている。すなわち、デジタルLSIの出力電圧信号で光変調器を直接駆動してレーザ光を変調することが可能とされている。
以上のことから、第1の態様では、前述した第1乃至第3の条件を満たすものとなっており、可能な限り短い共振器長で、光吸収損失がより小さく、変調帯域がより大きな面発光レーザを実現することが可能とされている。
本発明の面発光レーザの第2の態様は、層厚方向にレーザ共振器を有する面発光レーザにおいて、前記レーザ共振器内に、活性層、第1のコンタクト層、前記活性層より屈折率が所定の値を超えて小さい高抵抗層、第2のコンタクト層、層厚方向に発振するレーザ光に対する光吸収係数が印加電圧に応じて変化する光吸収変調層が順次積層された層構造を有し、前記層構造は前記レーザ光の波長の2倍または5/2倍の実効長を持ち、前記活性層と前記光吸収変調層は前記高抵抗層によって直流電気的に分離されており、これら活性層および光吸収変調層のそれぞれが前記光強度分布の異なるピーク位置付近に配置され、前記高抵抗層および前記第1および第2のコンタクト層のそれぞれが光強度分布の異なる谷の位置付近に配置されていることを特徴とする。この構成によれば、高抵抗層は例えば前記活性層より10%以上屈折率の小さい材料で構成されている。このような場合は、高抵抗層は、光強度分布の谷付近に配置されているので、反射によるロスはより少ないものとなっている。この他の点については、上述の第1の態様と同じである。
上記第1および第2の態様のいずれかにおいて、導電型がI型の前記光吸収変調層をp型層とn型層で挟んでなるPIN構造を有し、前記光吸収変調層は、バリア層と量子井戸層を交互に積層した多層膜であり、前記量子井戸層は、前記p型層から前記n型層に向かって正孔が移動する方向に内部電界がかかるように組成が変化(傾斜)していてもよい。この構成によれば、内部電界によってビルトイン電界が相殺されるため、その分、変調層の動作領域が電界の低い側にシフトすることになる。よって、飽和領域となって変調効率が低下する、といった問題は生じない。
本発明の光変調器は、通過する光に対する光吸収係数が印加電界により変化するI型導電型の光吸収変調層をp型層とn型層で挟んでなるPIN構造を有する光変調器であって、前記光吸収変調層は、バリア層と量子井戸層を交互に積層した多層膜であり、前記量子井戸層は、前記p型層から前記n型層に向かって正孔が移動する方向に内部電界がかかるように組成が変化(傾斜)していることを特徴とする。このような光変調器は、変調効率が高いため、光変調器単体で用いても有用である。たとえば、レーザ光を外部変調する用途に用いることもできる。
本発明の駆動方法は、上述した面発光レーザの駆動方法であって、前記面発光レーザの活性層へのDCバイアス電流を独立して与えるとともに、差動電圧信号により前記面発光レーザの光吸収変調層の変調駆動を行うことを特徴とする。この駆動方法によれば、レーザドライバICは不要であり、デジタルLSIの出力差動電圧で面発光レーザを直接に駆動することが可能である。
さらに望ましい本発明の別の駆動方法は、上述したPIN構造を有する面発光レーザの駆動方法であって、前記面発光レーザの活性層へのDCバイアス電流を独立して与えるとともに、無バイアス状態を中心として前記面発光レーザの光吸収変調層を差動電圧で変調駆動することを特徴とする。この場合の光吸収変調層では、量子井戸組成変化による内部電界でビルトイン電界を適度に相殺して、無バイアス時(すなわち差動動作中心)における光吸収変調層の電界を適当な状態にすることができ、光吸収変調効率を高めることができる。この駆動方法によっても、レーザドライバICは不要であり、デジタルLSIの出力差動電圧で面発光レーザを直接に駆動することが可能である。
本発明の他の駆動方法は、上述した光変調器の駆動方法であって、当該光変調器を無バイアス状態を中心として差動電圧で変調駆動することを特徴とする。この場合においても、光吸収変調層では、量子井戸組成変化による内部電界でビルトイン電界を適度に相殺して、無バイアス時(すなわち差動動作中心)における光吸収変調層の電界を適当な状態にすることができ、光吸収変調効率を高めることができる。
以上説明したとおりの本発明によれば、無バイアスかつ差動低電圧信号で光吸収変調層を直接に駆動してレーザ出力を変調することができるので、レーザドライバICが不要である。また、デジタルLSIのI/Oポートの差動電圧出力で直接、面発光レーザ出力を変調することができる。さらに、光変調動作のためのDCバイアス電圧は不要であるため、バイアス電圧回路に付随するインダクタ、キャパシタなどの受動素子も必要としない。よって、多チャンネルの光送信機能を非常に小さい実装面積で実現することができる。特に、低消費電力・小型が要求される光インターコネクション用途ではこの効果は大きく、例えばデジタルLSI直近に本発明による多チャンネルの面発光レーザを配置して、高密度の光配線を実現することができる。
1 p型GaAs基板
4、15 p型ブラッグ反射ミラー
5 p型AlGaAsクラッド層
6 多重量子井戸活性層
7、11 n型AlGaAsクラッド層
8、10 n型GaAsコンタクト層
9 AlGaAs高抵抗層
12 光吸収変調層
16、19 p電極
17、18 n電極
24 絶縁層
4、15 p型ブラッグ反射ミラー
5 p型AlGaAsクラッド層
6 多重量子井戸活性層
7、11 n型AlGaAsクラッド層
8、10 n型GaAsコンタクト層
9 AlGaAs高抵抗層
12 光吸収変調層
16、19 p電極
17、18 n電極
24 絶縁層
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。以下の実施例では、レーザ波長を約1μmとした。その他のレーザ波長においても、面発光レーザを構成する材料系の変更を行うことにより、本発明は同様に実施できる。
図7は、本発明の第1の実施形態である面発光レーザの断面構造図である。図7を参照すると、p型GaAs基板1上に、p型ブラッグ反射ミラー4、p型AlGaAsクラッド層5、多重量子井戸活性層6、n型AlGaAsクラッド層7、n型GaAsコンタクト層8、AlGaAs高抵抗層9、n型GaAsコンタクト層10、n型GaAsクラッド層11、光吸収変調層12、p型ブラッグ反射ミラー15が順次積層されている。
多重量子井戸活性層6は、InGaAs量子井戸層とGaAsバリア層を交互に積層したものである。光吸収変調層12は、量子井戸層とGaAsバリア層を交互に積層した多重量子井戸よりなる。p型GaAs基板1裏面に接してp電極16が、n型GaAsコンタクト層8に接してn電極17が、n型GaAsコンタクト層10に接してn電極18が、p型ブラッグ反射ミラー15の表面に接してp電極19がそれぞれ形成されている。p電極19には、レーザ光を取り出すための開口が形成されている。p型AlGaAsクラッド層5に接して、活性層6への電流狭窄のための絶縁層24が形成されている。AlGaAs高抵抗層9により、n電極17とn電極18は直流電気的に分離されている。
2つのp型ブラッグ反射ミラー4、15によりレーザ共振器が構成されている。このレーザ共振器は層厚方向に一定の光強度分布を持つ。レーザ共振器内部の層構造は、光強度分布に係る制限条件を満たす配置とされている。光強度分布に係る制限条件には、2つの制限がある。第1の制限は、キャリア濃度の高い層は、ロス(キャリアによる光吸収)が大きいため、光強度分布の谷の位置に配置しなければならない、というものである。なお、キャリア濃度の低い層は、ロスが小さいため、光強度分布に関係なく、どの位置に配置してもよい。第2の制限は、前記活性層より屈折率が所定の値(例えば10%)を超えて小さい層は、発振光に対する反射を生じるため、光強度分布の谷の位置に配置しなければならない、というものである。なお、活性層6との屈折率の差が反射の影響を考慮する必要のない範囲(数%)の場合は、光強度分布に関係なく、どの位置に配置してもよい。
図8に、図7に示した面発光レーザの活性層面内中心位置での共振器長方向の層構造と光強度分布の例を示す。p型ブラッグ反射ミラー4は、それぞれがレーザ光波長λの1/4の実効長をもつ層2、3を交互に積層したものであり、層2より層3の方が低屈折率になっている。p型ブラッグ反射ミラー15は、それぞれがレーザ光波長λの1/4の実効長をもつ層13、14を交互に積層したものであり、層13より層14の方が低屈折率になっている。2つのp型ブラッグ反射ミラー4、15で挟まれた層構造は、レーザ光波長λの3/2波長分の実効長を持っており(3λ/2−キャビティの形成)、光強度のピークが活性層6と光吸収変調層12の双方に位置するようになっている。さらに、n型コンタクト層8、10には高濃度のドーピングを行うため、キャリアによる光吸収が小さくなるように光電界強度の小さい場所に配置している。高抵抗層9は、キャリア濃度が低く、活性層6に屈折率の近いAlGaAsで形成されており、光強度分布にかかる制限条件がないため、光強度のピークとなる領域に配置している。
上記の構成によれば、活性層6、n型コンタクト層8、10、高抵抗層9の各層は、光強度分布に係る制限条件を満たすように配置されている。これにより、レーザの発振効率および光吸収損失を最小限に抑え、レーザ発振閾値の低減および低消費電力化を図っている。
また、レーザ共振器長は、レーザ光波長λの3/2波長分の長さ、といった可能な限り短くなっているので、光強度分布の共振器全体での積分値に対して活性層6での光強度積分値を高めることが可能となっている。
さらに、活性層6と光吸収変調層12を高抵抗層9により直流電気的に分離しているので、活性層6へのDCバイアス電流の供給と光吸収変調層12への変調電圧の供給をそれぞれ独立した回路で行うことが可能である。すなわち、デジタルLSIの出力差動電圧信号で光変調器を直接駆動してレーザ光を変調することが可能である。
本実施形態では、上記のレーザ共振器内部の層構造の特徴に加えて、高いビルトイン電界が存在するために変調層の動作領域が光吸収の飽和領域となって変調効率が低下する、という問題を解決するために、光吸収変調層12を構成する多重量子井戸が以下のような構造となっている。
図9は、光吸収変調層12の層構造を示す図である。光吸収変調層は、基板側から、厚さが15nmのアンドープGaAsスペーサ61、多重量子井戸層、厚さが15nmのアンドープGaAsスペーサ64とを順次積層した構造になっている。多重量子井戸層は、厚さが10nmのアンドープInGaAs組成傾斜量子井戸層62と厚さが20nmのGaAsバリア層63を交互に積層したものであり、その周期は3周期とされている。
上記の光吸収変調層(I型層)が、基板側のn型層と表面側のp型層に挟まれた構造になっており、これによりPIN構造が構成されている。アンドープInGaAs組成傾斜量子井戸層62は、n型層側からp型層に向かって、In組成が0.13から0.27まで線形に組成傾斜している。この組成傾斜により、厚さ10nmの量子井戸の2つの界面における価電子帯端のエネルギー差は約50meVとなり、p型層側からn型層側に向かう方向に約50KV/cmの内部電界が発生する。一方、n型層とp型層の間に形成されるビルトイン電界は約80KV/cmである。光変調器に供給される変調電圧を±0.4Vとすると、ビルトイン電界を中心に±25KV/cm程度の変調電界が印加される。今、レーザ光エネルギーと電界強度が零の時の量子井戸の遷移エネルギーとの差を約22meVとすると、従来の組成均一型量子井戸では、電界強度が約70KV/cmで光吸収係数が飽和してしまい、変調電界をかけていない状況で、すでに光強度の95%程度が吸収されてしまう。このため、十分な光出力が得られず、また消光比も殆ど取れない。これに対して、本実施形態における傾斜組成量子井戸を用いると、内部電界によってビルトイン電界をうち消すことができるため、光吸収係数の飽和領域をさけて電界変調を行うことが可能となる。この点について、以下に具体的に説明する。
上記の光吸収変調層(I型層)が、基板側のn型層と表面側のp型層に挟まれた構造になっており、これによりPIN構造が構成されている。アンドープInGaAs組成傾斜量子井戸層62は、n型層側からp型層に向かって、In組成が0.13から0.27まで線形に組成傾斜している。この組成傾斜により、厚さ10nmの量子井戸の2つの界面における価電子帯端のエネルギー差は約50meVとなり、p型層側からn型層側に向かう方向に約50KV/cmの内部電界が発生する。一方、n型層とp型層の間に形成されるビルトイン電界は約80KV/cmである。光変調器に供給される変調電圧を±0.4Vとすると、ビルトイン電界を中心に±25KV/cm程度の変調電界が印加される。今、レーザ光エネルギーと電界強度が零の時の量子井戸の遷移エネルギーとの差を約22meVとすると、従来の組成均一型量子井戸では、電界強度が約70KV/cmで光吸収係数が飽和してしまい、変調電界をかけていない状況で、すでに光強度の95%程度が吸収されてしまう。このため、十分な光出力が得られず、また消光比も殆ど取れない。これに対して、本実施形態における傾斜組成量子井戸を用いると、内部電界によってビルトイン電界をうち消すことができるため、光吸収係数の飽和領域をさけて電界変調を行うことが可能となる。この点について、以下に具体的に説明する。
組成傾斜量子井戸層62では、電界強度が零の時(ビルトイン電界を外部電圧による電界で相殺した状態)に、PIN構造を形成するp型層からn型層に向かって、正孔にとって内部電界(Fv)がかかるように組成が傾斜している。この状態のバンド模式図を図10(a)に示す。図10(a)に示す状態では、伝導帯も価電子帯も内部電界がかかった状態になっているので、量子井戸の遷移エネルギーは、量子井戸の底が平坦になっている場合に比べて低エネルギーになっている。この組成傾斜量子井戸に逆バイアスを印加していくと、価電子帯側の底は平坦になっていき、伝導帯の底はより電界が強まるようにバンドが変形する。この状態のバンド模式図を図10(b)に示す。量子閉じ込めシュタルク効果は、有効質量の大きい正孔のエネルギーシフトによる寄与が大きいため、逆バイアス印加により、遷移エネルギーは高エネルギー側にシフトする。このため、価電子帯側の底が平坦になるまで、光吸収係数は小さくなる。この状態から、更に逆バイアスを印加すると、再び価電子帯の底に電界がかかってくるため、遷移エネルギーは低エネルギー側にシフトを始め、光吸収係数は大きくなる。この状態のバンド模式図を図10(c)に示す。
上記の状態遷移によれば、組成傾斜量子井戸の光吸収−電界強度曲線は図7に示したようになり、図6に示した従来型の量子井戸の光吸収−電界強度曲線を高電界側にシフトしたような特性となる。これにより、従来の組成均一量子井戸で問題になっていた高電界時の光吸収飽和は、傾斜量子井戸を用いることで軽減され、高いビルトイン電界(FB)がかかっている状態でも、変調電界に対する光吸収係数の変化が最も大きい所を用いることが可能となる。この結果、無バイアス(高いビルトイン電界(FB)がかかっている状態)、かつ、小さな変調電界(ΔF)で大きな光吸収変化(Δα2)が得られ、動作時に十分な消光比、変調効率が得られる。この構成によれば、例えば変調電圧として±0.4Vを印加した場合、約8dBの消光比を得ることができる。また、光変調動作のためのDCバイアス電圧の印加を行う必要がないため、バイアス電圧回路に付随するインダクタ、キャパシタなどの受動素子も必要としない。
次に、本実施形態の面発光レーザの駆動回路について説明する。
図11に、図7に示した面発光レーザの駆動回路の一例を示す。面発光レーザチップ22は、活性層6周辺のpn接合を表すダイオード20と、光吸収変調層12周辺のpn接合を表すダイオード21とを含む。p電極16とn電極17には順バイアス電圧が印加され、活性層6にはDCバイアス電流が供給される。デジタルLSIからの差動電圧信号を直接にp電極19とn電極18に入力することで、光変調器を構成する光吸収変調層12の光吸収量が変調されてレーザ出力が変調される。この光変調器は無バイアスで動作する。図11には、差動電圧信号を面発光レーザチップ22側で終端する抵抗23も示されている。
上記の駆動回路では、活性層へのDCバイアス電流を独立した回路で与え、デジタルLSIのI/Oポートの差動電圧出力で光吸収変調層の変調動作を直接行わせる。この構成によれば、レーザドライバICが不要なため、低消費電力で小型の駆動回路を実現することができる。これは、特に、低消費電力・小型が要求される光インターコネクション用途において大きな効果を奏する。例えば、デジタルLSI直近に本実施形態の構造を有する多チャンネルの面発光レーザを配置して、高密度の光配線を実現できる。
以上説明した本実施形態の面発光レーザは、周知の半導体製造プロセスを適用することで容易に作製することができる。
(実施形態2)
図12は、本発明の第2の実施形態である面発光レーザの活性層面内中心位置での共振器長方向の層構造と光強度分布の例を示す図である。本実施形態の面発光レーザは、レーザ共振器長がレーザ光波長λの2倍とされ、レーザ共振器およびその内部の層構造が一部変わった以外は、上述した第1の実施形態のものと同様のものである。
図12は、本発明の第2の実施形態である面発光レーザの活性層面内中心位置での共振器長方向の層構造と光強度分布の例を示す図である。本実施形態の面発光レーザは、レーザ共振器長がレーザ光波長λの2倍とされ、レーザ共振器およびその内部の層構造が一部変わった以外は、上述した第1の実施形態のものと同様のものである。
2つのp型ブラッグ反射ミラー4、15からなるレーザ共振器内の層構造は、基板側からp型AlGaAsクラッド層5、多重量子井戸活性層6、n型AlGaAsクラッド層7、n型GaAsコンタクト層8、AlGaAs高抵抗層9、n型GaAsコンタクト層10、n型GaAsクラッド層11、光吸収変調層12、p型AlGaAsクラッド層25が順次配置されたものとなっている。
p型ブラッグ反射ミラー4は、それぞれがレーザ光波長λの1/4倍の実効長をもつ層2、3が交互に積層されたものであり、層2より層3の方が低屈折率になっている。p型ブラッグ反射ミラー15は、それぞれがレーザ光波長λの1/4倍の実効長をもつ層13、14が交互に積層されたものであり、層13より層14の方が低屈折率になっている。
電極を含む面発光レーザの構造は、図7に示したものとほぼ同様である。p型GaAs基板1裏面に接してp電極16、n型コンタクト層8に接してn電極17、n型コンタクト層10に接してn電極18、p型ブラッグ反射ミラー15の表面に接してp電極19がそれぞれ形成される。
2つのブラッグ反射ミラー4、15で挟まれた層構造は、レーザ光波長λの2倍の実効長を持っており(2λ−キャビティ)、光強度のピークが活性層6と光吸収変調層12の双方に位置するようになっている。さらに、n型コンタクト層8は、高濃度のドーピングを行うため、キャリアによる光吸収が小さくなるように光強度の小さい場所に配置している。高抵抗層9は、キャリア濃度が低く、活性層6に屈折率の近いAlGaAsで形成されており、光強度分布からの制限条件はないため、光強度のピークとなる領域に配置している。
光吸収変調層12は、第1の実施形態で説明した構造と同様のものであるが、その配置位置は、第1の実施形態のものに比べてよりピーク位置にくるようになっている。第1の実施形態のように、レーザ共振器内の層構造がレーザ光波長λの3/2倍の実効長を持つ(3λ/2−キャビティ)場合、光吸収変調層12とブラッグ反射ミラー15の境界がピーク位置に配置することになるため、光吸収変調層12はピーク位置から少しずれた位置に配置されることになる。本実施形態の場合は、レーザ共振器内の層構造がレーザ光波長λの2倍の実効長を持つ(2λ−キャビティ)ようにしたことで、光吸収変調層12をピーク位置に配置することが可能となっている。このため、光吸収変調層12における光吸収をより効率良く行うことができる。
本実施形態の面発光レーザも、第1の実施形態のものと同様な作用を奏し、図11と同様の駆動回路構成で駆動することが可能である。また、その製造についても、周知の半導体プロセスを用いることができる。
(実施形態3)
図13は、本発明の第3の実施形態である面発光レーザの活性層面内中心位置での共振器長方向の層構造と光強度分布の例を示す図である。本実施形態の面発光レーザは、レーザ共振器長がレーザ光波長λの2倍とされ、レーザ共振器およびその内部の層構造が一部変わった以外は、上述した第1の実施形態のものと同様のものである。
図13は、本発明の第3の実施形態である面発光レーザの活性層面内中心位置での共振器長方向の層構造と光強度分布の例を示す図である。本実施形態の面発光レーザは、レーザ共振器長がレーザ光波長λの2倍とされ、レーザ共振器およびその内部の層構造が一部変わった以外は、上述した第1の実施形態のものと同様のものである。
2つのp型ブラッグ反射ミラー4、15からなるレーザ共振器内の層構造は、基板側からp型AlGaAsクラッド層5、多重量子井戸活性層6、n型AlGaAsクラッド層7、n型GaAsコンタクト層8、ノンドープGaAsスペーサ層26、AlAsを酸化して形成されたAlOxからなる酸化膜絶縁層27、ノンドープGaAsスペーサ層28、n型GaAsコンタクト層10、n型GaAsクラッド層11、光吸収変調層12が順次配置されたものとなっている。
p型ブラッグ反射ミラー4は、それぞれがレーザ光波長λの1/4倍の実効長をもつ層2、3が交互に積層されたものであり、層2より層3の方が低屈折率になっている。p型ブラッグ反射ミラー15は、それぞれがレーザ光波長λの1/4倍の実効長をもつ層13、14が交互に積層されたものであり、層13より層14の方が低屈折率になっている。
電極を含む面発光レーザ構造は、図7に示したものとほぼ同様である。p型GaAs基板1の裏面に接してp電極16が、n型コンタクト層8に接してn電極17、n型コンタクト層10に接してn電極18が、p型ブラッグ反射ミラー15の表面に接してp電極19がそれぞれ形成されている。n電極17とn電極18は、酸化膜絶縁層27により直流電気的に分離されている。
2つのブラッグ反射ミラー4、15で挟まれた層構造は、レーザ光波長λの2倍の実効長を持っており(2λ−キャビティ)、光強度のピークが活性層6と光吸収変調層12の双方に位置するようになっている。さらに、n型コンタクト層8、10は高濃度のドーピングを行うため、キャリアによる光吸収が小さくなるように光電界強度の小さい場所に配置している。酸化膜絶縁層27は、層構造を形成する他の半導体材料よりはるかに低屈折率であるため、反射による損失を考慮すると、光電界強度の強い場所に挿入することができない。このため、酸化膜絶縁層27は、光強度の低い場所に配置されている。光吸収変調層12は、第1の実施形態のものと同様の構造を有する。
本実施形態の面発光レーザも、第1の実施形態のものと同様な作用を奏し、図11と同様の駆動回路構成で駆動することが可能である。また、その製造についても、周知の半導体プロセスを用いることができる。
なお、本実施形態では、高抵抗層として酸化膜絶縁層27を用いているが、この酸化膜絶縁層27は、活性層6より10%以上屈折率の小さな材料である。ここで、10%以上という条件は、反射の影響を考慮することが必要となると予想される条件である。このように活性層6より10%以上屈折率の小さな材料で構成される酸化膜絶縁層27は、反射によるロスを考慮する必要があるため光強度分布の谷の付近に配置する必要がある。
(実施形態4)
図14は、本発明の第4の実施形態である面発光レーザの活性層面内中心位置での共振器長方向の層構造と光強度分布の例を示す図である。本実施形態の面発光レーザは、レーザ共振器長がレーザ光波長λの5/2倍とされ、レーザ共振器およびその内部の層構造が一部変わった以外は、上述した第3の実施形態のものと同様のものである。
図14は、本発明の第4の実施形態である面発光レーザの活性層面内中心位置での共振器長方向の層構造と光強度分布の例を示す図である。本実施形態の面発光レーザは、レーザ共振器長がレーザ光波長λの5/2倍とされ、レーザ共振器およびその内部の層構造が一部変わった以外は、上述した第3の実施形態のものと同様のものである。
2つのp型ブラッグ反射ミラー4、15からなるレーザ共振器内の層構造は、基板側からp型AlGaAsクラッド層5、多重量子井戸活性層6、n型AlGaAsクラッド層7、n型GaAsコンタクト層8、ノンドープGaAsスペーサ層26、AlAsを酸化して形成されたAlOxからなる酸化膜絶縁層27、ノンドープGaAsスペーサ層28、n型GaAsコンタクト層10、n型GaAsクラッド層11、光吸収変調層12、p型AlGaAsクラッド層29が順次配置されたものとなっている。
p型ブラッグ反射ミラー4は、それぞれがレーザ光波長λの1/4倍の実効長をもつ層2、3が交互に積層されたものであり、層2より層3の方が低屈折率になっている。p型ブラッグ反射ミラー15は、それぞれがレーザ光波長λの1/4倍の実効長をもつ層13、14が交互に積層されたものであり、層13より層14の方が低屈折率になっている。
電極を含む面発光レーザ構造は、図7に示したものとほぼ同様である。p型GaAs基板1の裏面に接してp電極16が、n型コンタクト層8に接してn電極17、n型コンタクト層10に接してn電極18が、p型ブラッグ反射ミラー15の表面に接してp電極19がそれぞれ形成されている。n電極17とn電極18は、酸化膜絶縁層27により直流電気的に分離されている。
2つのブラッグ反射ミラー4、15で挟まれた層構造は、レーザ光波長λの5/2倍の実効長を持っており(5λ/2−キャビティ)、光強度のピークが活性層6と光吸収変調層12の双方に位置するようになっている。さらに、n型コンタクト層8、10は高濃度のドーピングを行うため、キャリアによる光吸収が小さくなるように光強度の小さい場所に配置している。酸化膜絶縁層27は、層構造を形成する他の半導体材料よりはるかに低屈折率であるため、光強度の強い場所に挿入することができないため、光強度の低い場所に配置されている。
光吸収変調層12は、第1の実施形態で説明した構造と同様なものであり、その配置は、第3の実施形態のものに比べてよりピーク位置にくるようになっている。第3の実施形態のように、レーザ共振器内の層構造がレーザ光波長λの2倍の実効長を持つ(2λ−キャビティ)場合、光吸収変調層12とブラッグ反射ミラー15の境界がピーク位置に配置することになるため、光吸収変調層12はピーク位置から少しずれた位置に配置されることになる。本実施形態の場合は、レーザ共振器内の層構造がレーザ光波長λの5/2倍の実効長を持つ(5λ/2−キャビティ)ようにしたことで、光吸収変調層12をピーク位置に配置することが可能となっている。このため、光吸収変調層12における光吸収をより効率良く行うことができる。
本実施形態の面発光レーザも、第1の実施形態のものと同様な作用を奏し、図11と同様の駆動回路構成で駆動することが可能である。また、その製造についても、周知の半導体プロセスを用いることができる。
以上説明した各実施形態の構成は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。例えば、第1の実施形態では、2つの特徴(層構造の特徴および組成傾斜量子井戸の特徴)を有するものについて説明したが、これらの特徴は独立に用いることができる。すなわち、層構造の特徴を有する面発光レーザと、組成傾斜量子井戸の特徴を有する光吸収変調層を内蔵した面発光レーザと、組成傾斜量子井戸の特徴を有する光吸収変調層を有する光変調器とに分けることができる。ただし、層構造の特徴を有しかつ組成傾斜量子井戸の特徴を有する光吸収変調層を共振器内に内臓した面発光レーザでは、レーザ光変調のための変調電圧の低減効果は特に大きいものとなる。
また、組成傾斜量子井戸の特徴は、従来の面発光レーザのように差動電圧駆動でない光変調器であっても適用することができ、光変調器の無バイアス時の動作点を調整して低電圧駆動などに用いることができる。
以上説明した各実施形態の面発光レーザの特徴および利点は、面発光レーザの材料及び発振波長に制限されるものではない。
また、図示した構成において、半導体基板としてp型GaAs基板を用いているが、これをn型基板に置き換えることも可能である。この場合は、基板上の半導体層の導電型について適当な置換が必要になる。さらに、絶縁型基板を用いることも可能である。電極配置については、基板の導電型あるいは配線設計に応じて電極を全て基板表面側に形成するか、あるいは一部を基板裏面側に形成するか、変更することができる。
Claims (9)
- 層厚方向にレーザ共振器を有する面発光レーザにおいて、
前記レーザ共振器内に、活性層、第1のコンタクト層、前記活性層より屈折率が所定の範囲内で小さい高抵抗層、第2のコンタクト層、層厚方向に発振するレーザ光に対する光吸収係数が印加電圧に応じて変化する光吸収変調層が順次積層された層構造を有し、
前記層構造は前記レーザ光の波長の3/2倍または2倍の実効長を持ち、
前記活性層と前記光吸収変調層は前記高抵抗層によって直流電気的に分離されており、これら活性層および光吸収変調層のそれぞれが光強度分布の異なるピーク位置付近に配置され、
前記第1および第2のコンタクト層のそれぞれが前記光強度分布の異なる谷の位置付近に配置されていることを特徴とする面発光レーザ。 - 層厚方向にレーザ共振器を有する面発光レーザにおいて、
前記レーザ共振器内に、活性層、第1のコンタクト層、前記活性層より屈折率が所定の範囲を超えて小さい高抵抗層、第2のコンタクト層、層厚方向に発振するレーザ光に対する光吸収係数が印加電圧に応じて変化する光吸収変調層が順次積層された層構造を有し、
前記層構造は前記レーザ光の波長の2倍または5/2倍の実効長を持ち、
前記活性層と前記光吸収変調層は前記高抵抗層によって直流電気的に分離されており、これら活性層および光吸収変調層のそれぞれが光強度分布の異なるピーク位置付近に配置され、
前記高抵抗層および前記第1および第2のコンタクト層のそれぞれが前記光強度分布の異なる谷の位置付近に配置されていることを特徴とする面発光レーザ。 - 前記高抵抗層は、前記活性層より10%以上屈折率の小さい材料で構成されている、請求項2に記載の面発光レーザ。
- 導電型がI型の前記光吸収変調層をp型層とn型層で挟んでなるPIN構造を有し、
前記光吸収変調層は、バリア層と量子井戸層を交互に積層した多層膜であり、前記量子井戸層は、前記p型層から前記n型層に向かって正孔が移動する方向に内部電界がかかるように組成が変化していることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の面発光レーザ。 - 通過する光に対する光吸収係数が印加電界により変化する導電型がI型の光吸収変調層をp型層とn型層で挟んでなるPIN構造を有する光変調器であって、
前記光吸収変調層は、バリア層と量子井戸層を交互に積層した多層膜であり、前記量子井戸層は、前記p型層から前記n型層に向かって正孔が移動する方向に内部電界がかかるように組成が変化している光変調器。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の面発光レーザの駆動方法であって、
前記面発光レーザの活性層へのDCバイアス電流を独立して与えるとともに、変調電圧である差動電圧により前記面発光レーザの光吸収変調層の変調駆動を行う面発光レーザの駆動方法。 - 請求項4に記載の面発光レーザの駆動方法であって、
前記面発光レーザの活性層へのDCバイアス電流を独立して与えるとともに、変調電圧である差動電圧により前記面発光レーザの光吸収変調層の変調駆動を行う面発光レーザの駆動方法。 - 請求項4に記載の面発光レーザの駆動方法であって、
前記面発光レーザの活性層へのDCバイアス電流を独立して与えるとともに、無バイアス状態を中心として前記面発光レーザの光吸収変調層を変調電圧である差動電圧で変調駆動する面発光レーザの駆動方法。 - 請求項5に記載の光変調器の駆動方法であって、
当該光変調器を無バイアス状態を中心として変調電圧である差動電圧で変調駆動する光変調器の駆動方法。
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