JP2012186419A - 光パワーモニタ集積ｄｆｂレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】高い反射率を維持しながら光パワーモニタとしての機能を併せ持つ光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザを提供する。
【解決手段】分布ブラッグ反射領域が集積された半導体レーザにおいて、前記半導体レーザの導波路の活性層が細線構造を有し、前記分布ブラッグ反射領域の吸収電流により前記半導体レーザの出力をモニタすることとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、光送信装置に用いる光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザに関する。

半導体レーザは、光通信分野や光ピックアップ装置など様々な分野で必須なデバイスであり、低電流・高効率で動作する低消費電力化と長期間における安定動作が強く求められている。しかし、半導体レーザは、動作時間とともに徐々に劣化し光出力の低下や波長シフトといった現象が現われる。これらの劣化が所定の限度を超えると故障と見なされるが、故障に至るまで光出力や波長が一定になるように駆動電流等により調整が行われている。

半導体レーザの光出力や波長を一定に維持するには、半導体レーザの光出力等の監視が必要であり、一般的な監視方法は半導体から出力される光をフォトダイオード（ＰＤ）でモニタする方法である（例えば、非特許文献１参照）。パワーモニタＰＤの受光量が一定となるように半導体レーザの駆動電流をフィードバック制御することにより、長期間にわたり半導体レーザの光出力や波長を一定に保つことができる。

一方、活性層が細線状構造のＤＦＢレーザに分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）を一括集積した分布反射型（ＤＲ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザやＤＲレーザにパワーモニタ領域を加えた３領域の集積レーザも提案されている（例えば、下記非特許文献２参照）。これら半導体レーザは、活性層が細線状構造を有していることにより、低しきい値・高効率動作が可能であるという特徴がある。

米津宏雄、「光通信素子工学−発行・受光素子−」、工学図書株式会社発行、１９８４年２月１５日、ｐ．２５９−２６０ 大平和哉、外６名、「細線構造を有する分布反射型（ＤＲ）レーザ」、電子情報通信学会技術研究報告〔レーザ・量子エレクトロニクス〕、社団法人電子情報通信学会発行、２００２年５月１７日、ＬＱＥ２００２−１６ Ｈ．Ｋｏｇｅｌｎｉｋ、Ｃ．Ｖ．Ｓｈａｎｋ、"Ｃｏｕｐｌｅｄ−Ｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｌａｓｅｒｓ"、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、４３、５、１９７２年、p．２３２７−２３３５

上述したＰＤによるモニタでは、レンズや分波器などの光部品が必要となり製造コストや部品コストが高くなるばかりでなく、小型化が阻害され、さらに作製工程が増えることによる歩留まりの低下を招くという課題がある。

また、半導体レーザとの集積型パワーモニタは、一般的に大幅な吸収損失による半導体レーザの特性劣化を防ぐために、半導体レーザとは異なる組成のコア層を再成長する必要があり、作製工程が増え歩留まりの低下が避けられない課題がある。

以上のことから、本発明は、上記の問題点を解消し、高い反射率を維持しながら光パワーモニタとしての機能を併せ持つ光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザは、
分布ブラッグ反射領域が集積された半導体レーザにおいて、
前記半導体レーザの導波路の活性層が細線構造を有し、
前記分布ブラッグ反射領域の吸収電流により前記半導体レーザの出力をモニタする
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第２の発明に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザは、第１の発明に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおいて、
各領域の長さＬを回折格子の結合係数κを用いて規格化したとき、前記半導体レーザの領域の長さが「３．５＜κＬ＜８」、前記分布ブラッグ反射領域の長さが「２＜κＬ＜４」、前記分布ブラッグ反射領域の活性層細線の発振波長に対する吸収係数αが「１５００ｃｍ^-1＜α＜２０００ｃｍ^-1」である
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第３の発明に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザは、第１の発明に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおいて、
前記半導体レーザの領域中に位相シフトを設けた
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第４の発明に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザは、第３の発明に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおいて、
各領域の長さＬを回折格子の結合係数κを用いて規格化したとき、前記半導体レーザの領域の長さが「３＜κＬ＜５」、前記分布ブラッグ反射領域の長さが「２＜κＬ＜４」、前記分布ブラッグ反射領域の活性層細線の発振波長に対する吸収係数αが「３００ｃｍ^-1＜α＜２０００ｃｍ^-1」である
ことを特徴とする。

本発明によれば、高い反射率を維持しながら光パワーモニタとしての機能を併せ持つ光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザを提供することができる。

本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザの構成を示した模式図である。 本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおける図１に示すａ−ａ´における導波路の断面の構成を示した模式図である。 本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおけるＤＢＲ領域の反射率の細線幅依存性を示した図である。 本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザの作製プロセスにおける第１工程を示した模式図である。 本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザの作製プロセスにおける第２工程を示した模式図である。 本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザの作製プロセスにおける第３工程を示した模式図である。 本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザの作製プロセスにおける第４工程を示した模式図である。 本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザの作製プロセスにおける第５工程を示した模式図である。 本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザの作製プロセスにおける第６工程を示した模式図である。 本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザのＳＥＭ像を示した図である。 本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおけるＩｎＰ逆メサストライプエッチングのＳＥＭ像を示した図である。 本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおけるＩｎＰ順メサ方向溝形成エッチングのＳＥＭ像を示した図である。 本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおける無バイアス印加時の光強度分布の計算結果を示した図である。 本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおけるＤＢＲ領域の反射率スペクトルの計算結果を示した図である。 λ／８位相シフト構造の無バイアス時光強度分布を示した図である。 均一回折格子構造の無バイアス時光強度分布を示した図である。 前端面出力効率のＤＦＢ領域長依存性を示した図である。 ＤＢＲ反射率のＤＢＲ領域長依存性を示した図である。 ＤＢＲ反射率のＤＢＲ領域長依存性を示した図である。

以下、本発明に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザを実施するための形態について説明する。
本発明に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザは、ブラッグ反射器としての機能とパワーモニタとしての機能とを併せ持つ領域（ＤＢＲ領域）とＤＦＢレーザの領域が集積された構造を有し、それらの活性層は細線状構造からなっている。

そして、本発明に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザは、量子井戸活性層を周期的な細線状構造に加工することにより、ＤＦＢレーザ領域と同一の活性層を有していながら、大幅な吸収損失を受けることなくモニタリングすることが可能である。
また、光モニタリングの際、光モニタ領域（ＤＢＲ領域）は、パワーモニタに入射された光の大部分をレーザ共振器に反射するＤＢＲ領域としての機能も有しており、ＤＦＢレーザ領域の良好な発振特性を維持することができる。

さらに、パワーモニタの作製プロセスにおいても再成長工程を増やすことなく、ＤＦＢレーザ領域と一括したプロセスで作製可能であるため、低コストで作製することができる。
また、本発明に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおけるＤＢＲ領域の細線状活性層の周期は、ＤＦＢレーザ領域とほぼ同じである。

従来、ＤＦＢレーザ領域で光出力を安定させるには、一般に出力光のパワーを監視して光出力変動を光出力制御回路の出力に反映するフィードバック機構が必要であった。このうち、出力光のパワーを監視する部分では、出力光の一部をプリズム等の光部品により取り出すか、又は、ＤＦＢレーザ領域の出力端の逆側からもれ出てくる光を用いてＰＤにて観測する方法が用いられていた。しかし、前者の方法はプリズム等のディスクリート部品が必要になり大型化が避けられない上、光出力の一部を損なうこと、後者の方法はＤＦＢレーザ領域とは別にＰＤを半導体基板上に作製する必要がある等の課題があった。

これに対し、本発明に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおいては、活性層分離型ＤＦＢレーザの出力端と逆側の反射鏡としてＤＢＲ領域を用い、その部分で一部光が吸収されて発生する光電流をモニタすることでＰＤとしての機能をも兼ねさせることを特徴としている。

これにより、ＤＢＲ領域自体は、ＤＦＢレーザ領域を作製する際に同時に作製することができ、さらに、ＰＤとしての機能付加も基本的に光電流の取り出し電極をＤＢＲ領域上に設けるだけで済ませることができる。そして、本発明に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザの構成により、作製工程を増やすことなく、また、活性層分離型ＤＦＢレーザに集積したコンパクトな形で出力光のパワーを監視する機能を活性層分離型ＤＦＢレーザに持たせることができる。

以下、本発明に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザの実施例について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザの構成を示した模式図である。また、図２は、本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおける図１に示すａ−ａ´における導波路の断面の構成を示した模式図である。

図１，２に示すように、本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザは、ＤＦＢレーザ領域と、ＤＢＲ領域から構成されており、ＤＦＢレーザ領域で発生する光はＤＢＲ領域の高反射率の反射器で反射されると同時に、光パワーモニタとして光吸収されＤＦＢレーザ領域端から出力される。なお、両端面には無反射膜や高反射膜は形成されていない。

本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザは、ＩｎＰ下部クラッド層（ｃｌａｄｄｉｎｇ ｌａｙｅｒ）１０、ＧａＩｎＡｓＰ二重量子井戸活性層（ＤＱＷ ａｃｔｉｖｅ ｌａｙｅｒｓ）１１、下部光閉じ込め層（ＯＣＬ）１２、上部光閉じ込め層（ＯＣＬ）１３、上部ＩｎＰクラッド層１４、ベンゾシクロブデン（ＢＣＢ）樹脂１５、コンタクト層１６、ＳｉＯ₂絶縁膜１７、ＤＦＢレーザ用電極１８、光パワーモニタ用電極１９及び下部電極２０から構成されている。

図２において、Ｌ_DFBはＤＦＢレーザ領域長を、ΛａはＤＦＢレーザ周期を、ＷａはＤＦＢレーザ細線幅を、Ｌ_DBRはＤＢＲ領域長を、ΛｐはＤＢＲ周期を、ＷｐはＤＢＲ細線幅を、ｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔはλ／８位相シフト位置を示している。ＤＦＢレーザ領域の活性層は、位相シフト領域を含む不連続の分離した構造であり、ＤＢＲ領域の活性層は、数１０ｎｍ程度に細線化された量子井戸細線が光進行方向に対し周期的に配列した構造である。

細線化によって活性層領域の体積が減るだけではなく、量子閉じ込め効果に伴う遷移エネルギー拡大が行われ、発振波長に対して吸収の少ない低損失な導波路を作製することができ、ＤＢＲ領域の高反射率を実現することができる。
また、導波路の損失が低いことにより、ＤＢＲ領域は高反射率領域となるため、光出力を片端面に集中させて、低しきい値動作を維持したまま出力効率の増加が可能となる。
また、図１に示すＤＦＢレーザ領域側からの光出力η_dfは、ＤＢＲ領域の光パワーモニタ用電極１９に電圧を印可して得られる吸収電流によりモニタすることができる。

結合波理論（上記非特許文献３参照）は、回折格子などの周期的に分布した屈折率及び利得の構造中を光が伝搬する様子を解析するもので、回折格子構造の屈折率分布及び利得の分布を正弦波関数で近似的に表記し、その構造中での光の伝搬を解析することができる。

本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおいては、ＤＦＢレーザ領域及びＤＢＲ領域のそれぞれにおいて回折格子構造の屈折率分布、あるいは利得分布を正弦波関数で表記し、光の結合波方程式を求めることで、各領域における伝達関数Ｆ行列を導出することができる。本実施例においては、それぞれの領域及び端面のＦ行列の積を用いて、本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザ内での光の強度分布や、透過、反射スペクトルを求めた。

本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおいては、ＤＢＲ領域の細線構造についてはＤＦＢレーザとして最も低しきい値・高効率で動作するように設計し、この場合でもＤＢＲ領域ではモニタとして十分な光吸収が得られている。

一般的に、ＤＢＲ領域の活性層を量子細線構造に加工すると、横方向量子閉じ込め効果が生じ、それに伴うバンドギャップの広がり（ブルーシフト効果）により光の吸収損失を低減させることが可能となる。一方、ＤＢＲ領域の結合係数は、活性層の細線化に伴い低下する傾向を示す。このように、活性層細線化による導波路損失と結合係数とはトレードオフの関係にあるため、設計の際にはまず必要な吸収率、反射率を設定し、それに合わせた細線幅を決定する手順となる。

図３は、本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおけるＤＢＲ領域の反射率の細線幅依存性を示した図である。
図３に示すように、本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおいては、ＤＢＲ細線幅Ｗ_DBRを４０ｎｍ程度に加工した際が最も高い反射率を得ることができ、レーザの高性能化が可能であることが、光の伝搬解析の結果から分かった。

なお、結合波理論を用いたプログラムによる計算は、ＤＦＢレーザ領域長Ｌ_DFB＝１００μｍ、ＤＦＢレーザ周期Λａ＝２４１．２５ｎｍ、ＤＦＢレーザ細線幅Ｗａ＝９０ｎｍ、ＤＢＲ領域長Ｌ_DBR＝２００μｍ、ＤＢＲ周期Λｐ＝２４２．５ｎｍ、ＤＢＲ細線幅Ｗｐ＝４０ｎｍ、ＤＦＢレーザ側の前端面より８０μｍの位置にλ／８位相シフト領域を有する構造で行った。

図４〜９は、本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザの作製プロセスを示した模式図である。
図４に示すように、第１工程においては、後の工程にてＩｎＰ下部クラッド層１０としても用いる、主面方位が（００１）であるｐ−ＩｎＰ基板１０を成長用半導体基板として用い、その上に有機金属気相成長法（ＯＭＶＰＥ）によって、ＧａＩｎＡｓＰ下部光閉じ込め層（ＯＣＬ）１２、ＧａＩｎＡｓＰの２重量子井戸構造（１％圧縮歪量子井戸：６ｎｍ、０．１５％引っ張り歪バリア層：１０ｎｍ）１１、ＧａＩｎＡｓＰ上部光閉じ込め層（ＯＣＬ）１３を順次積層し、レーザ素子作製用のエピ基板を作製する。次に、ドライエッチングのマスクとなるＳｉＯ₂マスク３０をＣＶＤ法により約２０ｎｍ堆積し、電子線レジスト３１を用いて線幅を変調した回折格子を電子ビーム（ＥＢ）露光法により描画する。

図５に示すように、第２工程においては、ＣＦ₄反応性イオンエッチングにより電子線レジストパターン３１をＳｉＯ₂マスク３０に転写しドライエッチングのマスクとした後に、ＣＨ₄／Ｈ₂反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により活性層を直接加工し、垂直性に優れた回折格子を形成する。

図６に示すように、第３工程においては、ドライエッチングによる損傷層をウェットエッチングにより除去した後、溝部分をＯＭＶＰＥによりｉ−ＩｎＰ３２により埋め込み、上部光閉じ込め層１３、上部ＩｎＰクラッド層１４、コンタクト層１６を積層する。

図７に示すように、第４工程においては、ドライエッチングとウェットエッチングにより電極分離用の溝３３を形成し、ストライプ構造を形成する。
図８に示すように、第５工程においては、ベンゾシクロブデン（ＢＣＢ）樹脂１５により平坦化し、ＳｉＯ₂絶縁膜１７を形成する。
図９に示すように、第６工程においては、電極窓開けの後、金属蒸着（Ｔｉ／Ａｕ）をＤＦＢ領域とＤＢＲ領域及びパワーモニタ（ＰＭ）領域のそれぞれの領域に行いＤＦＢレーザ用電極１８、光パワーモニタ用電極１９及び下部電極２０を形成する。

本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおけるＤＦＢ領域とＤＢＲ領域は、細線幅のＥＢ露光パターンを変更するだけで作製できるため、余計なプロセスを行わなくとも活性領域と受動領域が一括形成できるという利点がある。
さらに、活性領域と受動領域の導波路構造がほとんど同じであることから、領域間の結合損失をほぼゼロにできるという利点がある。
また、低損傷エッチングプロセスによりレーザ素子作製用のエピ基板の結晶品位を落とさずに活性領域及び受動領域の一括作製が可能であるという利点もある。

図１０は、本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザのＳＥＭ像を示した図である。
図１０に示すように、本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおいては、細線状の活性層が周期的に形成されていることがわかる。

また、本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおいては、ＤＢＲ領域に電極を形成するにあたり、前方のＤＦＢレーザ領域との電気的な絶縁を得るために、ＤＦＢレーザ用電極１８と光パワーモニタ用電極１９との間に電極分離用の溝３３を形成する必要があるが、本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザによれば、ＤＦＢレーザ領域とＤＢＲ領域の電極分離用の溝３３をハイメサ導波路形成時に一括作製が可能であるという利点がある。

ちなみに、半導体レーザなどの光半導体素子の導波路構造は、ハイメサ型、ローメサ型、埋込型が一般的である。ハイメサ構造は活性層の部分までメサが形成されており、活性層の両側が空気層であるため光閉じ込め効果が高い点に特徴がある。ローメサ導波路構造は活性層の上部の積層までメサが形成されている構造であり、埋込型構造はハイメサ又はローメサの両側が半導体層で埋め込まれた構造を指しており、放熱性が良い等の特徴を有する。

なお、本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおいては、ｐ型の成長用半導体基板（ｐ−ＩｎＰ基板）上にレーザ素子作製用の層構造を作製しており、その層構造の上部は高移動度のｎ型半導体となっているため、電気的な絶縁を得るためにはある程度の深い溝が必要となるが、深すぎる溝は光の損失ともなる。

また、第４工程におけるハイメサ導波路構造の形成においては、ＩｎＰ部分を塩酸系のウェットエッチングを用い、ＧａＩｎＡｓＰのＯＣＬ及び活性層はＣＨ₄／Ｈ₂の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いた。成長用半導体基板に対して、１１０方向にストライプパターンを形成しており、ＨＣｌ／ＣＨ₃ＣＯＯＨ＝１：４の混合液を用いてＩｎＰ層をエッチングすることで、ＩｎＰのハイメサ構造は逆メサ構造とすることができる。

これに対し、電極分離用の溝３３はストライプ方向に対して垂直方向になるのでＩｎＰ層は１１１面の５３°程度の浅い順メサ方向になる。したがって、電極分離用の溝３３の間隔を調節することで、ハイメサ構造形成と同時に任意の深さの電極分離用の溝３３を形成することが可能である。

図１１は、本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおけるＩｎＰ逆メサストライプエッチングのＳＥＭ像を示した図である。また、図１２は、本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおけるＩｎＰ順メサ方向溝形成エッチングのＳＥＭ像を示した図である。
図１２に示すように、ＤＦＢレーザ領域とＤＢＲ領域の境界の溝幅Ｗを調整してエッチングすることにより、任意の深さの電極分離用の溝３３を形成することが可能である。

図１３，１４及び後述する表１は、本実施例に係るパワーモニタ集積ＤＦＢレーザの結合波理論を用いたプログラムによる計算結果である。
図１３は、本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおける無バイアス印加時の光強度分布の計算結果を示した図である。また、図１４は、本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおけるＤＢＲ領域の反射率スペクトルの計算結果を示した図である。

ＤＢＲ領域の反射率は、活性層幅（リッジ幅）や量子井戸細線数、ＤＢＲ領域の長さに依存しており、例えば、活性層幅を小さくすると損失は小さくなるが、結合係数も減ることになる。結合係数を大きくするため細線数を増やすこと、又はＤＢＲ領域長を長くすることにより反射率を上げることはできるが、損失も大きくなるという問題がある。本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザの構成は、これらの点及び実際の作製の容易さを考慮して決定された構成である。

図１３は、ＤＢＲ領域に電圧を印可しない場合であり、本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザのレーザとしての特性を表し、λ／８位相シフト部の光強度が大きく、ＤＦＢレーザ側端面の光出力が大きいことを示している。例えば、λ／４位相シフト部が共振器の中央にある対称λ／４位相シフト構造の一般的ＤＦＢレーザでは、位相シフト部から見た前後領域のブラッグ波長に対する電界の位相が整合するため、光がλ／４位相シフト周辺に強く閉じ込められ、光強度はほぼ前後対称の分布となり、前端面と後端面の両側からの光出力はほぼ等しくなる。

また、λ／４位相シフト位置が中央から前方にある非対称λ／４位相シフト構造のＤＦＢレーザにおいては、光強度はλ／４位相シフト位置で強くなるため、前端面側の光強度が後端面側に比較し大きくなり、前端面の光出射強度が大きくなる。一般的に、非対称λ／４位相シフト構造のＤＦＢレーザは、内部光強度分布が位相シフト部の素子中央からのシフト量によって決まるので、単一モード安定性やスロープ効率も位相シフト位置に強く依存する。しかし、本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおいては、λ／８位相シフト部に光が集中しており、単一モードの安定性が高い。

図１７、図１８及び図１９は、位相シフトのあるＤＦＢレーザと位相シフトのないＤＦＢレーザの各場合における、前端面出力効率のＤＦＢ領域長依存性、しきい値電流値の共振器長依存性の計算結果を示している。
図１７及び図１８から、位相シフトの有る場合にも、無い場合にも、前端面からの出力効率η_dfが約５０％以上、及びパワーモニタＤＢＲ領域からの反射率Ｒも約９０％以上を両立するようなＤＦＢ領域及びＤＢＲ領域の結合係数κＬが存在することがわかる。
また、図１９から、κＬを小さくした場合（領域長Ｌ_DFBを短くする）には、しきい値が増大することがわかる。なお、縦軸のしきい値電流値はストライプ幅１μｍに規格化した値を示している。

図１７において、前端面からの出力効率η_dfが約５０％以上である結合係数κＬの値は、位相シフトのあるＤＦＢレーザの場合ではκＬ_DFB＜５であり、位相シフトのないＤＦＢレーザの場合ではκＬ_DFB＜８である。ここで、デバイスの要求仕様にもよるが、最小しきい値の３倍程度を許容範囲（下限値）として設定すると、位相シフトのあるＤＦＢレーザの場合では３＜κＬ_DFBが要求され、位相シフトのないＤＦＢレーザの場合では３．５＜κＬ_DFBが要求される。

また、図１８から、約９０％以上の反射率が得られるパワーモニタＤＢＲ領域の結合係数κＬは、位相シフトのあるＤＦＢレーザの場合も、位相シフトのない場合でも、約２＜κＬ_DBRである。また、κＬ_DBRの上限はデバイスの大きさに依存するが、デバイスサイズが大きくなりすぎないように、ＤＦＢ領域長４００μｍ、ＤＢＲ領域長４００μｍ（κＬ_DFBの上限を４）として設定した。

図１４は、ＤＢＲ領域に電圧を印可し光パワーをモニタしている場合におけるＤＢＲ領域の反射率の計算結果であり、ＤＢＲ領域にバイアスを−１Ｖ印可した場合も、−５Ｖ印可した場合も、１５４５ｎｍ付近で高い反射率を維持できることがわかる。

本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおいて特徴的な構造となっているのは、上記のパラメータの中のＤＦＢレーザ領域長と位相シフト位置である。本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザでは、ＤＢＲ領域をパワーモニタとして機能させるために、ある程度ＤＢＲ領域の光強度分布が大きくなるように、ＤＦＢレーザ領域中に位相シフトを導入し、ＤＦＢレーザ領域長を１００μｍ程度の短共振器に設計した。

図１５は、λ／８位相シフト構造の無バイアス時光強度分布を示した図である。また、図１６は、位相シフトのない均一回折格子構造の無バイアス時光強度分布を示した図である。
図１５の結果は、位相シフトを導入したＤＦＢレーザでは、ＤＢＲ領域を最適な設計にした場合（Ｌ_DBR＞２００μｍ）に、無バイアス時においても高いＰＭ量子効率（パワーモニタとしてのＤＢＲ領域での量子効率）が得られることを示している。一方、位相シフトのないＤＦＢレーザでは、ＤＢＲ領域を最適な設計にした場合（Ｌ_DBR＞２００μｍ）でも、図１６からＤＢＲ領域の光強度分布が全体の光強度分布に対して０．６％程度となり、無バイアス時には十分な値が得られないことがわかる。

すなわち、本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザのように、λ／８位相シフトをＤＦＢレーザ領域中の前端面から約８０μｍ程度のＤＦＢレーザ領域の中央よりもやや後ろ寄りに導入し、ＤＦＢレーザ領域長１００μｍの短共振器に設計することで、図１５に示すように、ＤＢＲ領域の光強度分布が全体の光強度に対して１８％と高めることができ、パワーモニタとして用いる際に十分な量子効率８．８％が実現できる。また、設計どおりに、ＤＦＢレーザの発振特性も低しきい値及び高効率動作を実現することができている。

なお、本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザは、細線状活性層を有しており、それによる利得整合効果から、一般的なλ／４位相シフトよりもλ／８程度の小さめの位相シフト量のほうが低しきい値で発振が可能であり、より適した構造であるが、λ／４位相シフトの構造でもよい。

光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザのＤＢＲ領域を光パワーモニタとする場合、ＤＢＲ領域への電圧印可によりＤＦＢレーザ領域の特性も影響を受けるため、ＤＦＢレーザ領域とＤＢＲ領域の構造に制限がある一方、それらの影響は共振器長や細線幅や周期等の構造パラメータで制御が可能である。

表１は、ＤＢＲ領域に電圧を印可し光パワーをモニタしている場合の、ＤＢＲ領域及びＤＦＢ領域の計算結果を示した表である。

例えば、ＤＢＲ領域の光吸収特性は、ＤＦＢレーザの発振波長やＤＢＲ領域の細線幅により制御可能である。本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザにおいて、ＤＦＢレーザ領域長が１００μｍ、ＤＢＲ領域長が２００μｍ、両領域の位相シフトがλ／８、ＤＢＲ領域の活性層細線の間隔が４０ｎｍという構成の光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザを対象として、電圧を印可してＤＢＲ領域を光パワーモニタとした場合の、ＤＦＢレーザ領域とＤＢＲ領域の特性変化の計算結果が表１である。

なお、表１は上記構造を対象に計算した結果であるが、ＤＦＢレーザ領域長、ＤＢＲ領域長、ＤＢＲ領域の活性層細線の間隔等の長さは上記数値に限定されるわけではない。それぞれの図からわかるように、前端面出力効率、ＤＢＲ反射率、しきい値電流値は長さパラメータに対し連続的に滑らかに変化しており、図１５〜図１９や表１等から導き出されたκＬの範囲やＰＭ領域における活性層吸収損失の値は、長さパラメータ等の多少の変化に対しても適した範囲や値を与えるものである。

ＤＢＲ領域に電圧を印可し光パワーモニタとする場合に、ＤＦＢレーザの発振モードの不安定化や光出力低下が大きな問題となる。すなわち、電圧印可によりＤＢＲ領域の屈折率は変化し、活性層吸収損失や反射率の変化が生じる。光パワーモニタは、ＤＦＢレーザの光出力に対応した光吸収電流により光出力をモニタする構成であり、高い量子効率と低い活性層吸収損失と反射率とは相反する関係にある。

電圧−１Ｖの印可では、ＰＭ量子効率は無バイアス時に比べ７％程度増加し、１５．４％とモニタとしては十分な量子効率であることが確認できた。一方、ＤＦＢレーザと反射率の低下は２％程度に留まっており、電圧印可の負の影響は小さいことが確認できた。

また、印可電圧―５Ｖでは、ＤＢＲ領域での量子効率は１３％程度の増加に対し、ＤＦＢレーザと反射率の低下はそれぞれ４％、３％の低下であった。しかし、電圧−５印可を電圧−１Ｖ印可と比べると、反射率は１％の低下にとどまってはいるものの、５倍の電圧印可にもかかわらず、ＤＢＲ領域の量子効率の増加は小さいことから、本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザの構成では、電圧−１Ｖ程度の印加によるモニタが適していることが計算結果から分かった。

また、ＤＢＲ領域の吸収係数を下げるとＰＭ量子効率が低下することから、パワーモニタとして動作可能な量子効率が下限となる。パワーモニタとして動作可能な下限を１％程度と仮定すると、位相シフトのないデバイスでは、ＤＢＲ領域への光強度分布が少ないため（図１６参照）、吸収係数の下限は１０００ｃｍ^-1程度が必要となる。一方、位相シフトのあるデバイスでは、ＤＢＲ領域への光強度分布が高く（図１５参照）、３００ｃｍ^-1程度でも１％以上のＰＭ量子効率を維持できる。

すなわち、位相シフトのないデバイスでは、吸収係数αが１５００ｃｍ^-1＜α＜２０００ｃｍ^-1以下の範囲となり、位相シフトのあるデバイスでは、吸収係数αが３００ｃｍ^-1＜α＜２０００ｃｍ^-1以下となる。

このように、本実施例に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザの構成によれば、光モニタ動作時においても半導体レーザの特性はほとんど劣化することなく、ＰＤ等の光モニタを別個に用いる必要がなく、しかもＤＦＢレーザの作製工程を複雑にすることなくＤＦＢレーザの光出力をモニタすることが可能である。

以上説明したように、本発明に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザによれば、ＤＦＢレーザ領域とＤＢＲ領域を分離した構造とすることで、ＤＦＢレーザ領域とＤＢＲ領域の屈折率差を大きくすることができ、光パワーモニタとして光を吸収させてもＤＢＲ領域の反射率はほとんど低下せず、高光反射率というブラッグ反射器としての機能が低下しないため、ＤＦＢレーザの高出力及び低しきい値を維持したまま、光パワーをモニタできるという効果が得られる。

さらに、本発明に係る光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザによれば、高反射領域とは別に光パワーモニタ領域を作製する必要もなく、ＤＢＲ領域の周期はＤＦＢレーザ領域とほぼ同じにできることから、作製工程が簡易化できるため低コスト化、歩留まり向上が可能であるという効果が得られる。

本発明は、光送信装置に用いる光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザに利用することが可能である。

１０ ＩｎＰ下部クラッド層（ｐ−ＩｎＰ基板）
１１ ＧａＩｎＡｓＰ二重量子井戸活性層
１２ 下部光閉じ込め層
１３ 上部光閉じ込め層
１４ 上部ＩｎＰクラッド層
１５ ベンゾシクロブデン（ＢＣＢ）樹脂
１６ コンタクト層
１７ ＳｉＯ₂絶縁膜
１８ ＤＦＢレーザ用電極
１９ 光パワーモニタ用電極
２０ 下部電極
３０ ＳｉＯ₂マスク
３１ 電子線レジスト
３２ ｉ−ＩｎＰ
３３ 溝

Claims (4)

1. 分布ブラッグ反射領域が集積された半導体レーザにおいて、
   前記半導体レーザの導波路の活性層が細線構造を有し、
   前記分布ブラッグ反射領域の吸収電流により前記半導体レーザの出力をモニタする
   ことを特徴とする光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザ。
2. 各領域の長さＬを回折格子の結合係数κを用いて規格化したとき、前記半導体レーザの領域の長さが「３．５＜κＬ＜８」、前記分布ブラッグ反射領域の長さが「２＜κＬ＜４」、前記分布ブラッグ反射領域の活性層細線の発振波長に対する吸収係数αが「１５００ｃｍ^-1＜α＜２０００ｃｍ^-1」である
   ことを特徴とする請求項１に記載の光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザ。
3. 前記半導体レーザの領域中に位相シフトを設けた
   ことを特徴とする請求項１に記載の光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザ。
4. 各領域の長さＬを回折格子の結合係数κを用いて規格化したとき、前記半導体レーザの領域の長さが「３＜κＬ＜５」、前記分布ブラッグ反射領域の長さが「２＜κＬ＜４」、前記分布ブラッグ反射領域の活性層細線の発振波長に対する吸収係数αが「３００ｃｍ^-1＜α＜２０００ｃｍ^-1」である
   ことを特徴とする請求項３に記載の光パワーモニタ集積ＤＦＢレーザ。