(57)【要約】【課題】  従来、位相シフト型の分布帰還型半導体レーザ素子は、縦モードの戻り光耐力向上のためにλ/4シフト構造が用いられてきたが、λ/4シフト位置での光子密度が周囲と比較して極端に高く、電子密度が低いために、チャーピングが大きく、直接変調した場合に長距離伝送に適さないという課題があった。【解決手段】  λ/4の位相シフト構造の代わりに導波路中の回折格子にλ/8の位相シフト構造を採用し、そのλ/8の位相シフト構造の位置を導波路の中央よりも後方向端面側に形成し、かつ、前方向端面コーティング膜の反射率が後方向端面コーティング膜の反射率が小さくすることで、戻り光耐力を保つとともに、シフト位置での光子密度の低減し、チャーピングを抑制することが可能となる。【選択図】  図１
2006019533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体多層膜の一部に周期的な回折格子を形成した分布帰還型半導体レーザ素子であって、
前記回折格子は1/8波長の位相シフト構造を有し、
前記1/8波長の位相シフト構造は導波路の中央よりも後方向端面側に形成され、
前方向端面コーティング膜の反射率が後方向端面コーティング膜の反射率よりも小さいことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ素子。
【請求項２】
請求項１に記載の分布帰還型半導体レーザ素子であって、
前記1/8波長の位相シフト構造の相対的な位置が、導波路の全長を1とした場合に前方向端面から0.7から0.9の範囲にあることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ素子。
【請求項３】
請求項１もしくは２に記載の分布帰還型半導体レーザ素子であって、
前記前方向端面コーティング膜の反射率が0%〜5%の範囲であり、
前記後方向端面コーティング膜の反射率が50%〜90%の範囲であることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の分布帰還型半導体レーザ素子であって、
当該分布帰還型半導体レーザの利得媒質がInGaAlAsの量子井戸構造にて構成されていることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の分布帰還型半導体レーザ素子を用いた光送信モジュール、及び光送受信モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体光素子に係り、特に光通信用モジュール、光通信システム、光ネットワークに用いる好適な送信用光素子及び光送信モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、高速や長距離の光通信用光源の半導体レーザとして、分布帰還型（distributed feedback；DFB）レーザが用いられている。これは活性層の近傍に光の伝搬方向に沿って凹凸構造を設け、等価的に屈折率の周期変化を設けたものである。このような構造では、ブラッグ反射と呼ばれる特定の波長（ブラッグ波長）の光だけが強く反射されることになり、光ファイバの波長分散の影響を受けにくい高速光通信用の光源として使用されている。
【０００３】
また、近年、ブラッグ波長での確実な発振を実現するために、凹凸の周期構造の中央部分にλ/4、あるいはλ/8（λ：波長）の位相シフトを与えた構造が提案されている。非特許文献１ではλ/4シフト構造とλ/8シフト構造のDFBレーザを比較して、λ/8シフト構造を用いることでチャーピング量の小さな直接変調型レーザを実現している。
【０００４】
【非特許文献１】IEEE  Photonics Technology Letters, March 2001, Vol.13, Issue 3， pp. 245-247. "Isolator-free 2.5-Gb/s 80-km transmission by directly modulated λ/8 phase-shifted DFB-LDs under negative feedback effect of mirror loss"
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来、位相シフト型の分布帰還型半導体レーザ素子は、縦モードの戻り光耐力向上のためにλ/4シフト構造が用いられてきたが、λ/4シフト位置での光子密度が周囲と比較して極端に高く、電子密度が低いために、チャーピングが大きく、直接変調した場合に長距離伝送に適さないという課題があった。
【０００６】
さらに、上記文献に見られるようなλ/8シフト構造を採用しても、そのシフト位置が中心よりも前方向端面よりであったり、前方向端面反射率と、後方向端面反射率が両方とも1%以下のARコートの場合には、電子密度の平坦化が不十分であったり、前方向端面からの光出力を高めることができないという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
図1に示すように、λ/4の位相シフト構造の代わりに導波路中の回折格子にλ/8の位相シフト構造を採用し、そのλ/8の位相シフト構造の位置を導波路の中央よりも後方向端面側に形成し、かつ、前方向端面コーティング膜の反射率が後方向端面コーティング膜の反射率が小さくすることで、戻り光耐力を保つとともに、シフト位置での光子密度の低減し、チャーピングを抑制することが可能となる。
【０００８】
この理由は、コーティング反射率とλ/8シフト位置の調整により、電子密度と光子密度を平坦化でき、チャーピングを更に低減できるためである。また、前方向端面コーティング膜の反射率が後方向端面コーティング膜の反射率よりも小さいために、前方向端面からの光出力を高めることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、従来のように、λ/4の位相シフト構造を有する回折格子を形成する場合と比較して、戻り光耐力を保つとともに、チャーピングを抑制することが可能となるため、この構造を分布帰還型半導体レーザに適用することで、特に2.5Gbit/sを超える高速・中長距離の通信用途において、より安価に直接変調光送信モジュールを提供することが可能となり、より有効性を発揮できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１１】
本発明をInGaAsP系埋込ヘテロ構造のDFBレーザに適用した第一の実施例を図１を用いて説明する。図1(a)は光軸方向の断面図であり、図1(b)は上側から見た平面図である。
【００１２】
半導体レーザ100は、InP基板110と、InPバッファ層111と、InGaAsPクラッド層112と、InGaAsP SCH層113と、InGaAsP MQW活性層114と、InGaAsP SCH層115と、InP下側回折格子バッファ層116と、InGaAsP回折格子層117と、InP回折格子キャップ層118と、InGaAsPクラッド層119と、InGaAsコンタクト層120と、ｐ電極121と、ｎ電極122と、前方端面コーティング膜123と、後方端面コーティング膜124とにより構成される。なお、125は光導波路、126はｐ電極のパッド部である。
【００１３】
ここでInPバッファ層111はn型で、膜厚は0.15μmである。InGaAsPクラッド層112はｎ型で、膜厚は0.2μm、バンドギャップ相当波長（λg）は1.05μmである。InGaAsP SCH層113はｎ型で、膜厚は0.2μm、λgは1.10μmである。InGaAsP MQW活性層114はnone-dopeタイプで、ウエル層膜厚は10nmかつλgは1.63μm、バリア層膜厚は10nmでかつλgは1.15μm、合計5周期である。
【００１４】
InGaAsP SCH層115はp型で、膜厚は0.2μm、λgは1.10μmである。InP下側回折格子バッファ層116はp型で、膜厚は0.1μmである。InGaAsP  回折格子層117はp型、膜厚は0.1μm、ピッチは240nmである。InP回折格子キャップ層118はp型で、膜厚は0.2μm、λgは1.10μmである。InGaAsPクラッド層119はp型で、膜厚は2.0μmである。InGaAsコンタクト層120はp型で、膜厚は0.1μmである。
【００１５】
端面膜の発振波長に対する反射率は前方向端面の反射率が後方向端面の反射率よりも小くなるように、前方端面コーティング膜で4%、後方端面コーティング膜で88%とした。
【００１６】
本実施例では、SCH層とクラッド層間の回折格子は電子ビーム露光技術の適用により、λ/8の位相シフト構造を有し、そのλ/8のシフト構造の相対的な位置は導波路の全長を1とした場合に導波路の中央よりも後方向端面側になるよう前方向端面から0.9の位置に造りこんである。
【００１７】
共振器長400μm、発振波長1.55μmのレーザにおいて、レーザ発振の閾値は4.5mA, 出力のスロープ効率は0.2W/A〜0.32W/Aであった。また、パルス幅と間隔が各々200ピコ秒の矩形波状の電気信号に対するチャーピング量は±0.１0nm以内に抑えられ、より長距離の伝送に向いた構造であることがわかった。
【実施例２】
【００１８】
本発明をInGaAlAs系リッジ導波路型DFBレーザに適用した第２の実施例を、図２を用いて説明する。図２(a)は光軸方向の断面図であり、図２(b)は上側から見た平面図である。
【００１９】
半導体レーザ200は、InP基板210、InPバッファ層211、及びInGaAlAsクラッド層212、InGaAlAs SCH層213、InGaAlAs MQW活性層214、InGaAlAs SCH層215、InP下側回折格子バッファ層216、InGaAsP回折格子層217、InP回折格子キャップ層218、InGaAsPクラッド層219、InGaAs コンタクト層220、ｐ電極221、ｎ電極222、前方端面コーティング膜223、後方端面コーティング膜224により構成される。また、225が光導波路、226がｐ電極のパッド部である。
【００２０】
ここでInPバッファ層211はn型で、膜厚は0.15μmである。InGaAlAsクラッド層212はｎ型で、膜厚は0.2μm、λgは1.05μmである。InGaAlAs SCH層213はｎ型で、膜厚は0.2μm、λgは1.10μmである。
【００２１】
InGaAlAs MQW活性層はnone-dopeタイプで、ウエル層膜厚は10nmかつλgは1.６０μm、バリア層膜厚は10nmかつλgは1.15μm、全5周期である。InGaAlAs SCH層215はp型で、膜厚は0.2μm、λgは1.10μmである。InP下側回折格子バッファ層216はp型で、膜厚は0.1μm、InGaAsP回折格子層217はp型で、膜厚は0.1μm、ピッチは242nmである。
【００２２】
InP回折格子キャップ層218はp型で、膜厚は0.2μm、λgは1.10μmである。InGaAsPクラッド層219はp型で、膜厚は2.0μmである。InGaAs コンタクト層220はp型で、膜厚は0.1μmである。
【００２３】
端面膜の発振波長に対する反射率は前方向端面の反射率が後方向端面の反射率よりも小くなるように、前方端面コーティング膜で2%、後方端面コーティング膜で80%とした。
【００２４】
この実施例において、SCH層とクラッド層間の回折格子は電子ビーム露光技術の適用により、λ/8の位相シフト構造を有し、そのλ/8のシフト構造の相対的な位置は導波路の全長を1とした場合に導波路の中央よりも後方向端面側になるよう前方向端面から0.7の位置に造りこんである。
【００２５】
また、共振器長300μm、発振波長1.56μmのレーザにおいて、レーザ発振の閾値は6mA、 出力のスロープ効率は0.15W/A〜0.3W/Aであった。本実施例においても、パルス幅と間隔が各々200ピコ秒の矩形波状の電気信号に対するチャーピング量は±0.１5nm以内に抑えられていた。
【００２６】
上記の実施例１、２では、半導体レーザ素子の活性層としてInGaAsP、もしくはInGaAlAs、を用いたが、InP,GaAs,GaNなどの基板と格子整合する別の材質や構造を用いることも可能である。  また、上記の材質においては光の横方向の閉じ込め構造としてリッジ導波路型、埋込ヘテロ構造のいずれでもとることも可能である。
【００２７】
図３に、この実施例２の半導体レーザを組み込んだ光送信モジュールの例を示す。これにより、図４に見られるように従来のλ/4シフトを有する屈折率導波型半導体レーザを用いた光送信モジュールではチャーピング量が±0.4nm以内であったのに対し、本実施例のλ/8シフトを有する屈折率導波型半導体レーザではチャーピング量を±0.2nm以内に抑えることができた。
【００２８】
この結果、より長距離の伝送に向いたモジュールの作製を可能とし、本モジュールにより2.5Gbps伝送において400kmが実現した。更に、戻り光耐力の高さを反映し、アイソレータをはずした光送信モジュールを可能とした。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明により、従来のように、λ/4の位相シフト構造を有する回折格子を形成する場合と比較して、戻り光耐力を保つとともに、チャーピングを抑制することが可能となるため、この構造を分布帰還型半導体レーザに適用することで、特に2.5Gbit/sを超える高速・中長距離の通信用途において、より安価に直接変調光送信モジュールを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１の実施例におけるDFBレーザの断面図及び平面図を示す。
【図２】本発明の第２の実施例におけるDFBレーザの断面図及び平面図を示す。
【図３】本発明の第２の実施例における光送信モジュールを示す。
【図４】本発明の第２の実施例における光送信モジュールのチャーピング特性を示す。
【符号の説明】
【００３１】
110・・・半導体基板、111・・・ｎ型バッファ層、112・・・ｎ型クラッド層、113・・・ｎ型SCH層、114・・・MQW活性層、115・・・p型SCH層、116・・・回折格子バッファ層、117・・・回折格子層、118・・・回折格子キャップ層、119・・・p型クラッド層、120・・・p型コンタクト層、121・・・p電極、122・・・ｎ電極、123・・・前方端面コーティング膜、124・・・後方端面コーティング膜、125・・・導波路、126・・・ｐ電極パッド、210・・・半導体基板、211・・・ｎ型バッファ層、212・・・ｎ型クラッド層、213・・・ｎ型SCH層、214・・・MQW活性層、215・・・p型SCH層、216・・・回折格子バッファ層、217・・・回折格子層、218・・・回折格子キャップ層、219・・・p型クラッド層、220・・・p型コンタクト層、221・・・p電極、222・・・ｎ電極、223・・・前方端面コーティング膜、224・・・後方端面コーティング膜、225・・・導波路、226・・・ｐ電極パッド、227・・・電流狭窄の為の絶縁溝、130・・・λ/8シフト位置、230・・・λ/8シフト位置、301・・・光送信モジュール、302・・・半導体レーザ、303・・・レーザの駆動回路、304・・・レンズ、305・・・光ファイバ、306・・・モニタPD、401・・・光送信モジュールのチャーピング特性
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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