JP4411938B2

JP4411938B2 - 変調器集積半導体レーザ、光変調システムおよび光変調方法

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Publication number: JP4411938B2
Application number: JP2003374759A
Authority: JP
Inventors: 宣弘嵯峨
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2003-11-04
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2023-11-04
Also published as: JP2005142230A

Description

この発明は、レーザダイオードと電界吸収型（Electro-Absorption：ＥＡ）変調器とがモノリシックに集積された変調器集積半導体レーザ、ならびにその変調器集積半導体レーザを用いる光変調システムおよび光変調方法に関する。

光通信では、しばしば強度変調されたレーザ光が信号光として伝送される。変調電流の注入に応じて強度変調されたレーザ光を生成する直接変調型半導体レーザでは、変調時に波長チャープが生じる。このため、直接変調型レーザの出力光の波形は伝送中に劣化しやすい。この現象は、光通信が高速または長距離になるほど顕著になる。そこで、波長チャープの少ない電界吸収型（ＥＡ）変調器を集積した分布帰還型（Distributed Feedback：ＤＦＢ）レーザが、特に１０Ｇｂｐｓの高速変調領域用の信号光源として使用されている。ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの構造は、例えば下記の特許文献１〜４に開示されている。

ＥＡ変調器は、ｐ型半導体、ｎ型半導体およびｐ型半導体とｎ型半導体の間に挟まれた光変調層から構成されるｐｎ接合構造を有している。光変調層の吸収端波長は、光変調層に逆方向電界が印加されると長波長側にシフトする性質を有する。この性質を利用してレーザ光を変調するために、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザでは、ＤＦＢレーザの発振波長より短い吸収端波長を有するＥＡ変調器がＤＦＢレーザと集積される。通常、逆方向電界の印加時には、光変調層の吸収端波長がＤＦＢレーザの発振波長を超えてシフトする。それに応じてレーザ光の吸収係数が高まり、それによりレーザ光の出力がオフになる。

ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの出力レーザ光を長距離伝送に使用するためには、ＥＡ変調器のαパラメータが負であることが望ましいと判明している。そのため、ＥＡ変調器のαパラメータが負になるように、あらかじめ逆方向のＤＣバイアス電圧をＥＡ変調器に印加しておくという技術が使用されている。
特開平７−１０６６９１号公報特開平８−７８７９０号公報特開２００１−２２１９８５号公報特開２００２−１３１７１４号公報

一般に、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザでは、ＤＦＢレーザの発振波長とＥＡ変調器の吸収端波長との間で温度変化率が異なる。一つの例では、ＤＦＢレーザの発振波長の温度変化率が約０．１ｎｍ／Ｋであるのに対し、ＥＡ変調器の吸収端波長の温度変化率は約０．４ｎｍ／Ｋである。このため、室温で最適化されたＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザがより高い温度下に置かれると、発振波長と吸収端波長とが過度に接近する可能性がある。この場合、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザがオン状態にあるにもかかわらず、レーザ光がＥＡ変調器に吸収され、光出力および消光比が低下してしまう。

このような問題を回避するため、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザは、通常、ペルチェ素子を用いて温度を一定に調節しながら使用される。ペルチェ素子が消費する電力は、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザのチップを搭載したモジュールの消費電力のなかで大きな割合を占める。したがって、消費電力の低減およびモジュールの小型化のために、温度調節が不要なＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザが要望されている。

そこで、本発明は、変調器集積半導体レーザを用いて広い温度範囲にわたってレーザ光を変調することを課題とする。

一つの側面において、本発明は、所定の発振波長を有するレーザダイオードと第１および第２の電界吸収型変調器とがモノリシックに集積された変調器集積半導体レーザに関する。第１電界吸収型変調器の一端部は、レーザダイオードによって生成されたレーザ光を受け取るようにレーザダイオードの一端部に接続されている。第２電界吸収型変調器の一端部は、第１電界吸収型変調器からレーザ光を受け取るように第１電界吸収型変調器の他端部に接続されている。第１および第２電界吸収型変調器の双方は、レーザダイオードの発振波長よりも小さい吸収端波長を有している。第２電界吸収型変調器の吸収端波長は、第１電界吸収型変調器の吸収端波長よりも大きい。

この変調器集積半導体レーザは、二つの電界吸収型変調器を有する。レーザダイオードで生成されたレーザ光は、この二つの電界吸収型変調器のいずれか一方を用いて変調することができる。二つの電界吸収型変調器は、互いに異なる吸収端波長を有しているので、レーザ光の変調に適した温度範囲も互いに異なる。したがって、温度に応じて電界吸収型変調器を選択して使用することにより、広い温度範囲にわたってレーザ光を変調することができる。温度調節が不要なので、消費電力を削減することができる。このため、この変調器集積半導体レーザは、小型のモジュールに好適に適用することができる。

別の側面において、本発明は、上記の変調器集積半導体レーザを用いてレーザ光を変調する光変調システムに関する。この光変調システムは、その変調器集積半導体レーザに加えて、レーザダイオードに電流を注入してレーザ光を生成させるレーザ駆動回路と、第１および第２電界吸収型変調器にバイアス電圧を印加する変調器駆動回路とを備えている。変調器駆動回路は、所定の第１の温度範囲でレーザ光を変調するときは、変調された逆方向バイアス電圧を第２電界吸収型変調器に印加する。また、変調器駆動回路は、第１温度範囲より高い所定の第２の温度範囲でレーザ光を変調するときは、変調された逆方向バイアス電圧を第１電界吸収型変調器に印加するとともに、直流の順方向バイアス電圧を第２電界吸収型変調器に印加する。

さらに別の側面において、本発明は、上記の変調器集積半導体レーザを用いてレーザ光を変調する方法に関する。この方法では、所定の第１の温度範囲でレーザ光を変調するときは、変調された逆方向バイアス電圧が第２電界吸収型変調器に印加される。また、第１温度範囲より高い所定の第２の温度範囲でレーザ光を変調するときは、変調された逆方向バイアス電圧が第１電界吸収型変調器に印加されるとともに、直流の順方向バイアス電圧が第２電界吸収型変調器に印加される。

上記の変調器集積半導体レーザでは、より小さな吸収端波長を有する第１電界吸収型変調器がレーザダイオードに隣接しており、より大きな吸収端波長を有する第２電界吸収型変調器は、第１電界吸収型変調器を透過したレーザ光を受け取るように配置されている。この配置は比較的高い第２温度範囲での光変調に有益である。上述のように、第２温度範囲では、第１電界吸収型変調器に逆方向バイアス電圧が印加され、それによりレーザ光が変調される。第２電界吸収型変調器には、順方向バイアス電圧が印加され、それによりレーザ光に対する吸収係数が低減される。それでもなお、第２電界吸収型変調器は、第１電界吸収型変調器によって変調されたレーザ光の強度をある程度減衰させる。第１電界吸収型変調器による変調の際、レーザ光に雑音が混入する可能性がある。しかし、雑音が混入した変調レーザ光が第２電界吸収型変調器によって減衰されるので、信号対雑音比は劣化しない。これに対し、第１および第２電界吸収型変調器の配置を逆にすると、第２電界吸収型変調器によって減衰されたレーザ光が第１電界吸収型変調器によって変調されることになる。この場合、変調時に混入する雑音のレベルが信号のレベルに対して比較的高くなり、信号対雑音比が劣化する。このように、上記の変調器集積半導体レーザを使用して上記の方法によりレーザ光を変調すれば、変調レーザ光の信号対雑音比の劣化が抑えられる。

第２電界吸収型変調器のうち第１電界吸収型変調器に接続された端部の反対側に位置する端部には、反射防止コーティングが施されていてもよい。反射防止コーディングされた端部は反射率が低いので、第２電界吸収型変調器に順方向バイアス電圧が印加されたときにレーザ発振が防止される。これにより、変調器半導体集積レーザによるレーザ光の適切な変調が確保される。

本発明によれば、変調器集積半導体レーザを用いて広い温度範囲にわたってレーザ光を変調することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態の変調器集積半導体レーザ１を示す斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。変調器集積半導体レーザ１は、分布帰還型レーザダイオード（以下、「ＤＦＢレーザ」）１１０、第１の電界吸収型変調器（以下、「ＥＡ変調器」）１２１、および第２のＥＡ変調器１２２がモノリシックに集積された半導体デバイスである。ＤＦＢレーザ素子１１０、第１ＥＡ変調器１２１および第２ＥＡ変調器１２２は、同一の基板２上に集積されている。基板２は、ｎ型ＩｎＰからなる。ＤＦＢレーザ１１０と第１ＥＡ変調器１２１の間には分離部１３０が設けられ、第１ＥＡ変調器１２１と第２ＥＡ変調器１２２の間には分離部１３２が設けられている。分離部１３０および１３２は、イオン注入などの手法により高抵抗化されており、それによってＤＦＢレーザ１１０ならびにＥＡ変調器１２１および１２２が電気的に分離されている。変調器集積レーザ１には、さらにトレンチ１９ａおよび１９ｂが設けられている。トレンチ１９ａおよび１９ｂは、変調器集積レーザ１の光軸に沿って延びるメサ構造６０を画定する。

図２に示されるように、ＤＦＢレーザ１１０は、ｎ型基板２上に順次に積層された光ガイド層４ｍ、活性層５ｍ、光ガイド層６ｍおよびｐ型の第１クラッド層７ｍを有する。光ガイド層６ｍとｐ型クラッド層７ｍとの界面には回折格子６ａが設けられている。ＤＦＢレーザ１１０は、回折格子６ａの周期に応じて定まる発振波長のレーザ光を生成する。光ガイド層４ｍおよび層６ｍは、このレーザ光を活性層５ｍに閉じ込める分離閉じ込めヘテロ構造（Separate Confinement Hetero-structure：ＳＣＨ）層として機能する。

第１ＥＡ変調器１２１は、基板２上に順次に積層された光ガイド層１４ｍ、活性層１５ｍ、光ガイド層１６ｍおよびｐ型の第１クラッド層１７ｍを有する。活性層１５ｍは、ＤＦＢレーザ１１０の活性層５ｍと端面同士を突き合わせて接合されている。活性層５ｍと１５ｍは光学的に結合されており、共通の光軸を有している。したがって、活性層１５ｍは、活性層５ｍで生成されたレーザ光を受け取る。活性層１５ｍは、活性層５ｍで生成されたレーザ光を増幅する作用を有するとともに、印可電界の強度に応じて変化する吸収係数を有する光変調層としても動作する。以下では、活性層１５ｍを光変調層と呼ぶことにする。光変調層１５ｍは、ＳＣＨ層である光ガイド層１４ｍおよび１６ｍの間に挟まれている。これによりレーザ光が光変調層１５ｍに閉じ込められる。

第２ＥＡ変調器１２２は、第１ＥＡ変調器１２１と同様の構成を有している。すなわち、第２ＥＡ変調器１２２は、基板２上に順次に積層された光ガイド層２４ｍ、活性層２５ｍ、光ガイド層２６ｍおよびｐ型の第１クラッド層２７ｍを有する。活性層２５ｍは、第１ＥＡ変調器１２１の光変調層１５ｍと端面同士を突き合わせて接合されている。活性層２５ｍと光変調層１５ｍは光学的に結合されており、共通の光軸を有している。したがって、光変調層２５ｍは、光変調層１５ｍを透過したレーザ光を受け取る。活性層１５ｍと同様に、活性層２５ｍは、レーザ光を増幅する作用を有するとともに、印可電界の強度に応じて変化する吸収係数を有する光変調層としても動作する。したがって、以下では、活性層２５ｍを光変調層と呼ぶことにする。光変調層２５ｍは、ＳＣＨ層である光ガイド層２４ｍおよび２６ｍの間に挟まれている。これによりレーザ光が光変調層２５ｍに閉じ込められる。

半導体層４ｍ〜７ｍから成る多層半導体Ｗ_１は、半導体層１４ｍ〜１７ｍからなる多層半導体Ｗ_２と境界面Ｂ１において接合されている。また、半導体層１４ｍ〜１７ｍからなる多層半導体Ｗ_２は、半導体層２４ｍ〜２７ｍからなる多層半導体Ｗ_３と境界面Ｂ２において接合されている。これらの多層半導体Ｗ_１〜Ｗ_３とｎ型基板２とは、それぞれｐｎ接合構造を形成する。本実施形態では、分離部１３０および１３２は、それぞれＥＡ変調器１２１および１２２と同じ半導体層から構成されている。ただし、これに限定されるものではない。図２では、回折格子６ａは、光ガイド層６ｍとｐ型クラッド層７ｍとの間に形成されている。しかし、回折格子６ａは、基板２と光ガイド層４ｍとの間に設けてもよい。

上記各層の組成を以下に示す。なお、簡単のため、Ｉｎ_１−ｘＧａ_ｘＡｓ_１−ｙＰ_ｙ半導体（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）をＩｎＧａＡｓＰと記す。
・ｎ型基板２：ＳｉドープＩｎＰ
・光ガイド層４ｍ、１４ｍ、２４ｍ：アンドープＩｎＧａＡｓＰ
・活性層５ｍおよび光変調層１５ｍ、２５ｍ：アンドープＩｎＧａＡｓＰ
・光ガイド層６ｍ、１６ｍ、２６ｍ：アンドープＩｎＧａＡｓＰ
・ｐ型第１クラッド層７ｍ、１７ｍ、２７ｍ：ＺｎドープＩｎＰ
ｎ型基板２ならびにｐ型第１クラッド層７ｍ、１７ｍおよび２７ｍは、活性層５ｍ、光変調層１５ｍおよび２５ｍ、光ガイド層４ｍ、１４ｍおよび２４ｍ、ならびに光ガイド層６ｍ、１６ｍおよび２６ｍよりも低い屈折率を有する。また、活性層５ｍならびに光変調層１５ｍおよび２５ｍは共通の光軸を有する。基板２のうち光ガイド層４ｍ、１４ｍおよび２４ｍと隣接する部分は、ｎ型クラッド層として機能する。このため、レーザ光は、これらの活性層、光変調層および光ガイド層に閉じ込められつつ光軸に沿って伝搬する。このように、多層半導体Ｗ_１〜Ｗ_３は光導波路として機能する。

活性層５ｍならびに光変調層１５ｍおよび２５ｍは、多重量子井戸（Multiple Quantum Well：ＭＱＷ）構造を有している。これらのＭＱＷ構造および回折格子６ａの構造は、所定の発振波長の光を生成およびレーザ増幅するように決定される。本実施形態では、温度２５℃の下でのＤＦＢレーザ１１０の発振波長が１５５０ｎｍである。言い換えると、ＤＦＢレーザ１１０の活性層５ｍの多重量子井戸は、１５５０ｎｍのバンドギャップ波長を有している。一方、光変調層１５ｍおよび２５ｍの多重量子井戸は、ＤＦＢレーザ１１０の発振波長よりも小さい吸収端波長（バンドギャップ波長）を有する。このようにＥＡ変調器１２１および１２２の吸収端波長をＤＦＢレーザ１１０の発振波長からずらすことを、ディチューニング（離長）と呼ぶ。また、発振波長と吸収端波長との差をディチューニング量と呼ぶ。

第２ＥＡ変調器１２２の吸収端波長は、第１ＥＡ変調器１２１の吸収端波長よりも大きい。具体的には、温度２５℃の下で、第１ＥＡ変調器１２１の吸収端波長１４７７ｎｍであり、第２ＥＡ変調器１２２の吸収端波長は１４９０ｎｍである。したがって、温度２５℃の下で、第１ＥＡ変調器１２１のＤＦＢレーザ１１０に対するディチューニング量は７３ｎｍであり、第２ＥＡ変調器１２２のＤＦＢレーザ１１０に対するディチューニング量は６０ｎｍである。後述するように、第１ＥＡ変調器１２１は４０℃以上８５℃以下の温度範囲での光変調に使用され、第２ＥＡ変調器１２２は０℃以上４０℃未満の温度範囲での光変調に使用される。

図２に示されるように、変調器集積レーザ１は、ｐ型の第２クラッド層８ｍを更に有する。第２クラッド層８ｍは、ＤＦＢレーザ１１０、第１および第２ＥＡ変調器１２１および１２２、ならびに分離部１３０および１３２に対して共通に設けられている。第２クラッド層８ｍは、第１クラッド層７ｍ、１７ｍおよび２７ｍと同様に、ｐ型ＩｎＰから構成される。よって、第２クラッド層８ｍは、これらの第１クラッド層と共に、レーザ光を光ガイド層、活性層および光変調層に閉じ込めるために役立つ。

第２クラッド層８ｍは、第１の部分８０ａ、第２の部分８０ｂ、第３の部分８０ｃ、第４の部分８０ｄ、および第５の部分８０ｅを有する。第１の部分８０ａ上には、コンタクト層９ａを介して、ＤＦＢレーザ１１０用の電極９０ａが設けられている。第３の部分８０ｃ上には、コンタクト層９ｂを介して、第１ＥＡ変調器１２１用の電極９０ｂが設けられている。第５の部分８０ｅ上には、コンタクト層９ｃを介して、第２ＥＡ変調器１２２用の電極９０ｃが形成されている。電極９０ａはＤＦＢレーザ１１０に電流を注入するために使用され、電極９０ｂおよび９０ｃは第１および第２ＥＡ変調器１２１および１２２にバイアス電圧を印加するために使用される。これらの電極９０ａ〜９０ｃは、第２クラッド層８ｍ上に設けられた絶縁膜８５によって絶縁されている。基板２の裏面には、ＤＦＢレーザ１１０ならびに第１および第２ＥＡ変調器１２１および１２２に共通に使用される電極９０ｄが形成されている。

図１に示されるように、多層半導体Ｗ_１、Ｗ_２およびＷ_３、第２クラッド層８ｍ、コンタクト層９ａ〜９ｃならびに絶縁膜８５はメサ構造６０をなしている。メサ構造６０は電流狭窄用の埋め込み層６２を有する。埋め込み層６２は、基板２上に順次に積層された埋め込み層６２ａおよび６２ｂを含んでいる。埋め込み層６２ａはｐ型ＩｎＰから構成され、埋め込み層６２ｂはｎ型ＩｎＰから構成されている。埋め込み層６２ａは、基板２の上面ならびに多層半導体Ｗ_１、Ｗ_２およびＷ_３の側面を覆う。埋め込み層６２ｂは、埋め込み層６２ａを覆い、ｐ型クラッド層７ｍ、１７ｍおよび２７ｍと同一平面をなしている。埋め込み層６２ｂは第２クラッド層８ｍによって覆われる。また、埋め込み層６２は、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰから構成されていてもよい。

図２に示されるように、変調器集積レーザ１は、互いに対向する二つの端面、すなわち出力面９１および反射面９２を有している。出力面９１は、第２ＥＡ変調器１２２の端面でもある。出力面９１は、第２ＥＡ変調器１２２の第１ＥＡ変調器１２１に接合された端面、すなわち境界面Ｂ２の反対側に位置する。反射面９２は、ＤＦＢレーザ１１０の端面でもある。反射面９２は、ＤＦＢレーザ１１０の第１ＥＡ変調器１２１に接合された端面、すなわち境界面Ｂ１の反対側に位置する。出力面９１および反射面９２は、レーザ共振器を構成する。出力面９１には、チャープ低減のため反射防止（Anti Reflection：ＡＲ）コーティングが施されている。そのため、活性層５ｍで生成されたレーザ光に対する出力面９１の反射率は０．１％以下に抑えられている。一方、反射面９２には高反射（High Reflection：ＨＲ）コーティングが施されている。そのため、反射面９２は活性層５ｍで生成されたレーザ光を８０％以上の反射率で反射する。

以下では、図３および図４を参照しながら、ＤＦＢレーザ１１０の活性層５ｍで生成されたレーザ光を変調する方法を説明する。図３は、第１の温度範囲下におけるレーザ光の変調を示す概略図である。図４は、第１の温度範囲より高い第２の温度範囲下におけるレーザ光の変調を示す概略図である。本実施形態では、第１の温度範囲は０℃以上４０℃未満であり、第２の温度範囲は４０℃以上８５℃以下である。

図３および図４には、光変調システム５０が描かれている。光変調システム５０は、変調器集積レーザ１に加えてレーザ駆動回路１４０および変調器駆動回路１４２を有している。レーザ駆動回路１４０は、ＤＦＢレーザ１１０に電気的に接続されており、電極９０ａを通じて活性層５ｍに電流１４１を注入してレーザ発振を生じさせ、それによりレーザ光を生成させる。変調器駆動回路１４２は、電極９０ｂおよび９０ｃを通じて第１および第２ＥＡ変調器１２１および１２２にバイアス電圧を印加し、それによりこれらの変調器を駆動する。

まず、図３を参照しながら、比較的低い第１温度範囲での光変調を説明する。第１温度範囲では、第２ＥＡ変調器１２２がレーザ光を変調する。まず、レーザ駆動回路１４０からＤＦＢレーザ１１０に電流が注入され、それに応じてレーザ光が生成される。このレーザ光は活性層５ｍ内を伝搬し、第１ＥＡ変調器１２１の光変調層１５ｍに入射する。変調器駆動回路１４２は、第１温度範囲では、第１ＥＡ変調器１２１にバイアス電圧を印加しない。したがって、レーザ光は変調されることなく第１ＥＡ変調器１２１を透過し、第２ＥＡ変調器１２２の光変調層２５ｍに入射する。変調器駆動回路１４２は、変調された逆方向バイアス電圧１４３を電極９０ｃを通じて第２ＥＡ変調器１２２に印加する。したがって、第２ＥＡ変調器１２２は逆方向バイアス電圧１４３に応じてレーザ光を変調する。このようにして変調されたレーザ光１４５は出力面９１から放出される。

次に、図４を参照しながら、より高い第２温度範囲での光変調を説明する。第２温度範囲では、第１ＥＡ変調器１２１がレーザ光を変調する。第１温度範囲での変調と同様に、レーザ駆動回路１４０からＤＦＢレーザ１１０に電流が注入され、それに応じてレーザ光が生成される。このレーザ光は第１ＥＡ変調器１２１の光変調層１５ｍに入射する。変調器駆動回路１４２は、第２温度範囲では、変調された逆方向バイアス電圧１４６を電極９０ｂを通じて第１ＥＡ変調器１２１に印加する。したがって、第１ＥＡ変調器１２１は逆方向バイアス電圧１４６に応じてレーザ光を変調する。変調されたレーザ光は、第１ＥＡ変調器１２１の光変調層１５ｍを伝搬し、第２ＥＡ変調器１２２の光変調層２５ｍに入射する。第２温度範囲では、変調器駆動回路１４２は、直流の順方向バイアス電圧１４７を電極９０ｃを通じて第２ＥＡ変調器１２２に印加する。したがって、第１ＥＡ変調器１２１によって変調されたレーザ１４５は、更に変調されることなく第２ＥＡ変調器１２２を透過し、出力面９１から放出される。

順方向バイアス電圧１４７の印加によって、第２ＥＡ変調器１２２によるレーザ光の吸収が低減される。これにより、変調レーザ光１４５の強度を高めることができる。例えば、第２ＥＡ変調器１２２に１Ｖの順方向バイアス電圧を印加すれば、変調レーザ光１４５の強度が約１．５倍に高まると期待される。

上述のように、出力面９１には反射率０．０２％の反射防止コーティングが施されている。このため、第２ＥＡ変調器１２２に順方向バイアス電圧１４７を印加してもレーザ発振は生じない。また、順方向バイアス電圧１４７は直流なので、光変調層２５ｍの伝送特性に影響を与えない。自由電子吸収や雑音の問題を考慮すると、順方向バイアス電圧１４７は、通常、１Ｖ以下が好ましい。また、出力面９１の反射率は０．０５％以下であることが好ましい。

このように、本実施形態では、レーザ光の変調に使用するＥＡ変調器を低温時と高温時とで切り替える。これにより、レーザ光を変調するために必要なディチューニング量を広い温度範囲にわたって確保することができる。以下ではこの点を説明する。

すでに述べたように、ＤＦＢレーザ１１０の発振波長ならびにＥＡ変調器１２１および１２２の吸収端波長は、温度の変化に応じて長波長側にシフトする。ＥＡ変調器１２１および１２２の吸収端波長の温度変化率は、ＤＦＢレーザ１１０の発振波長の温度変化率よりも大きい。具体的には、ＤＦＢレーザ１１０の発振波長の温度変化率が約０．１ｎｍ／Ｋであるのに対し、ＥＡ変調器１２１および１２２の吸収端波長の温度変化率は約０．４ｎｍ／Ｋである。このような波長シフトのため、０〜４０℃の温度範囲において、第２ＥＡ変調器１２２のＤＦＢレーザ１１０に対するディチューニング量は、０℃における６８ｎｍから４０℃における５５ｎｍまで単調に減少する。このディチューニング量は、８５℃では４１ｎｍにまで減少する。しかし、４１ｎｍのディチューニング量では、レーザ光を適切に変調することは難しい。このため、４０〜８５℃の温度範囲では、第２ＥＡ変調器１２２の代わりに第１ＥＡ変調器１２１を用いてレーザ光を変調する。４０〜８５℃の温度範囲において、第１ＥＡ変調器１２１のＤＦＢレーザ１１０に対するディチューニング量は、４０℃における６７ｎｍから８５℃における５３ｎｍまで単調に減少する。８５℃の温度下でも十分な大きさのディチューニング量が確保されるので、レーザ光を適切に変調することができる。

以下では、変調器集積レーザ１の利点を説明する。第１に、変調器集積レーザ１は、広い温度範囲にわたってレーザ光を変調することができる。変調器集積レーザ１は、異なる吸収端波長を有する二つのＥＡ変調器１２１および１２２を有しており、これらのＥＡ変調器が異なる温度範囲でレーザ光を変調する。言い換えると、温度の変化に応じてＥＡ変調器１２１および１２２の吸収端波長がシフトしても、光変調に使用するＥＡ変調器を切り替えることにより、適切な変調動作が維持される。したがって、変調器集積レーザ１は、温度調節を必要とせず、広い温度範囲にわたってレーザ光を変調できる。温度調節が不要なので、消費電力を削減することができる。このため、変調器集積レーザ１は、小型のモジュールに好適に適用することができる。

第２に、変調器集積レーザ１は、信号対雑音比の劣化を防止することができる。これは、二つのＥＡ変調器１２１および１２２の配置に起因する。変調器集積レーザ１では、より小さな吸収端波長を有する第１ＥＡ変調器１２１がＤＦＢレーザ１１０に隣接し、より大きな吸収端波長を有する第２ＥＡ変調器１２２は第１ＥＡ変調器１２１を透過したレーザ光を受け取るように配置されている。この配置は比較的高い第２温度範囲での光変調に有益である。第２温度範囲では、第１ＥＡ変調器１２１がレーザ光を変調し、第２ＥＡ変調器１２２は、その変調されたレーザ光をある程度減衰させる。これに対し、第１および第２ＥＡ変調器１２１および１２２の配置を逆にすると、第２温度範囲では、第２ＥＡ変調器１２２によって減衰されたレーザ光が第１ＥＡ変調器１２１によって変調されることになる。変調時に発生する雑音を考慮すると、変調されたレーザ光が減衰される方が、減衰されたレーザ光を変調する場合よりも信号対雑音比が劣化しにくい。したがって、本実施形態の変調器集積レーザ１は、変調レーザ光の信号対雑音比の劣化を抑えることができる。

以下では、図５〜図１８を参照しながら、変調器集積レーザ１の製造方法を説明する。まず、図５に示されるように、基板２の上面全体に多層半導体Ｗ_１０を形成する。多層半導体Ｗ_１０は、上述の多層半導体Ｗ_１と同様に、基板２の上面全体に順次に積層された光ガイド層４ｍ、活性層５ｍ、光ガイド層６ｍおよびｐ型の第１クラッド層７ｍから構成されている。

次に、図６に示されるように、多層半導体Ｗ_１０の上面に方形のマスクパターン１５０を設ける。図７に示されるように、多層半導体Ｗ_１０はこのマスクパターン１５０を用いてエッチングされる。多層半導体Ｗ_１０は一部を除いて除去され、残った多層半導体Ｗ_１０の周囲に基板２の上面が露出する。エッチング後の多層半導体Ｗ_１０は方形の平面形状を有する。

図８に示されるように、基板２の露出面上に多層半導体Ｗ_１０と同じ厚さの多層半導体Ｗ_２０が形成される。多層半導体Ｗ_２０は、上述の多層半導体Ｗ_２と同様に、基板２上に順次に積層された光ガイド層１４ｍ、光変調層１５ｍ、光ガイド層１６ｍおよびｐ型クラッド層１７ｍから構成されている。この後、図９に示されるように、多層半導体Ｗ_１０の上面を完全に覆い、さらに多層半導体Ｗ_２０の上面の一部を覆う方形のマスクパターン１５１が形成される。図１０に示されるように、多層半導体Ｗ_２０はこのマスクパターン１５１を用いてエッチングされる。多層半導体Ｗ_２０は多層半導体Ｗ_１０の周囲に位置する部分を除いて除去され、残った多層半導体Ｗ_２０の周囲に基板２の上面が露出する。エッチング後の多層半導体Ｗ_２０は、多層半導体Ｗ_１０の三つの辺に隣接するコ字状の平面形状を有する。

図１１に示されるように、基板２の露出面上に多層半導体Ｗ_１０およびＷ_２０と同じ厚さの多層半導体Ｗ_３０が形成される。多層半導体Ｗ_３０は、上述の多層半導体Ｗ_３と同様に、基板２上に順次に積層された光ガイド層２４ｍ、光変調層２５ｍ、光ガイド層２６ｍおよびｐ型クラッド層２７ｍから構成されている。エッチング後の多層半導体Ｗ_３０は、多層半導体Ｗ_１０の外縁に隣接するコ字状の平面形状を有する。この結果、図１１に示されるように、多層半導体Ｗ_１０、Ｗ_２０およびＷ_３０は基板２の上面において入れ子状に配置される。

次に、図１２に示されるように、多層半導体Ｗ_１０、Ｗ_２０およびＷ_３０の上面にストライプ状のマスクパターン１５２が形成される。このマスクパターン１５２は、多層半導体Ｗ_１０、Ｗ_２０およびＷ_３０を直線的に横断する。図１３に示されるように、多層半導体Ｗ_１０、Ｗ_２０およびＷ_３０はマスクパターン１５２を用いてエッチングされ、これによりメサ形状の多層半導体Ｗ_１、Ｗ_２およびＷ_３が形成される。図１４に示されるように、基板２上において多層半導体Ｗ_１、Ｗ_２およびＷ_３の周囲に電流狭窄用の埋め込み層６２ａおよび６２ｂが順次に形成され、さらに多層半導体Ｗ_１、Ｗ_２およびＷ_３ならびに埋め込み層６２ａおよび６２ｂを覆うようにｐ型クラッド層８ｍおよびコンタクト層９ｍが形成される。

図１５に示されるように、コンタクト層９ｍ上には２本のストライプ状のマスクパターン１５３が形成される。一方のマスクパターン１５３は多層半導体Ｗ_１とＷ_２との境界面の真上に配置され、他方のマスクパターン１５３は多層半導体Ｗ_２とＷ_３との境界面の真上に配置される。図１６に示されるように、コンタクト層９ｍはこれらのマスクパターン１５３を用いてエッチングされ、それにより分離部１３０および１３２が形成される。分離部１３０および１３２は、例えばプロトンまたはイオンの注入によって高抵抗化される。

この後、図１７に示されるように、多層半導体Ｗ_１、Ｗ_２およびＷ_３の両側方にトレンチ１９ａおよび１９ｂが形成される。これにより、互いに分離したコンタクト層９ａ、９ｂおよび９ｃが多層半導体Ｗ_１、Ｗ_２およびＷ_３の上方にそれぞれ形成される。さらに、図１８に示されるように、コンタクト層９ａ、９ｂおよび９ｃならびにトレンチ１９ａおよび１９ｂを覆うように絶縁膜８５が形成される。絶縁膜８５において多層半導体Ｗ_１、Ｗ_２およびＷ_３の上方に位置する部分にはコンタクトホールが設けられる。これらのコンタクトホールを充填するように電極９０ａ、９０ｂおよび９０ｃが形成される。このようにして変調器集積レーザ１が製造される。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

上記実施形態では、バットジョイント法を用いて変調器集積レーザ１を製造する。このほかに、選択成長法を用いて変調器集積レーザを製造してもよい。選択成長法では、図１９に示されるように、基板２上に選択成長マスク１５４が形成される。基板２の上面のうちマスク１５４によって覆われていない部分に多層半導体Ｗ_１、Ｗ_２およびＷ_３が一括成長される。

変調器集積半導体レーザを示す斜視図である。図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。変調器集積半導体レーザを用いた光変調方法を示す概略図である。変調器集積半導体レーザを用いた光変調方法を示す概略図である。変調器集積半導体レーザの製造方法を示す側面図である。変調器集積半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。変調器集積半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。変調器集積半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。変調器集積半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。変調器集積半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。変調器集積半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。変調器集積半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。変調器集積半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。変調器集積半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。変調器集積半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。変調器集積半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。変調器集積半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。変調器集積半導体レーザの製造方法を示す斜視図である。変調器集積半導体レーザの別の製造方法を示す斜視図である。

符号の説明

１…変調器集積半導体レーザ、２…基板、４ｍ、６ｍ、１４ｍ、１６ｍ、２４ｍおよび２６ｍ…光ガイド層（ＳＣＨ層）、５ｍ…活性層、６ａ…回折格子、７ｍ、８ｍ、１７ｍ、１８ｍ、２７ｍおよび２８ｍ…ｐ型クラッド層、９ａ、９ｂ、９ｃおよび９ｍ…コンタクト層、１５ｍおよび２５ｍ…光変調層、１９ａおよび１９ｂ…トレンチ、１１０…ＤＦＢレーザ、８５…絶縁膜、９０ａ、９０ｂ、９０ｃおよび９０ｄ…電極、９１…出力面、９２…反射面、１２１および１２２…ＥＡ変調器、１３０および１３２…分離部、Ｗ_１、Ｗ_２およびＷ_３…多層半導体。

Claims

所定の発振波長を有するレーザダイオードと第１および第２の電界吸収型変調器とがモノリシックに集積された変調器集積半導体レーザであって、
前記第１電界吸収型変調器の一端部は、前記レーザダイオードによって生成されたレーザ光を受け取るように前記レーザダイオードの一端部に接続されており、
前記第２電界吸収型変調器の一端部は、前記第１電界吸収型変調器から前記レーザ光を受け取るように前記第１電界吸収型変調器の他端部に接続されており、
前記第１および第２電界吸収型変調器の双方は、前記レーザダイオードの発振波長よりも小さい吸収端波長を有しており、
前記第２電界吸収型変調器の吸収端波長は、前記第１電界吸収型変調器の吸収端波長よりも大きい、
変調器集積半導体レーザ。
前記第２電界吸収型変調器の他端部には反射防止コーティングが施されている、
請求項１に記載の変調器集積半導体レーザ。
請求項１または２に記載の変調器集積半導体レーザと、
前記レーザダイオードに電流を注入して前記レーザ光を生成させるレーザ駆動回路と、
前記第１および第２電界吸収型変調器にバイアス電圧を印加する変調器駆動回路と
を備える光変調システムであって、
前記変調器駆動回路は、
所定の第１の温度範囲で前記レーザ光を変調するときは、変調された逆方向バイアス電圧を前記第２電界吸収型変調器に印加し、
前記第１温度範囲より高い所定の第２の温度範囲で前記レーザ光を変調するときは、変調された逆方向バイアス電圧を前記第１電界吸収型変調器に印加するとともに、直流の順方向バイアス電圧を前記第２電界吸収型変調器に印加する、
光変調システム。
請求項１または２に記載の変調器集積半導体レーザを制御して、前記レーザダイオードで生成されたレーザ光を変調する方法であって、
所定の第１の温度範囲で前記レーザ光を変調するときは、変調された逆方向バイアス電圧を前記第２電界吸収型変調器に印加し、
前記第１温度範囲より高い所定の第２の温度範囲で前記レーザ光を変調するときは、変調された逆方向バイアス電圧を前記第１電界吸収型変調器に印加するとともに、直流の順方向バイアス電圧を前記第２電界吸収型変調器に印加する
光変調方法。