(57)【要約】  面発光レーザ素子１０２と、前記面発光レーザ素子１０２に、バイアス電流を挟んで強度変調された変調駆動電流を供給する駆動装置と、を備え、前記面発光レーザ素子１０２は、レーザ発振する横モードの数が、前記変調駆動電流の値に応じて１から多くとも３まで変化し、前記面発光レーザ素子１０２のレーザ発振する横モード数が切り替わる切替り電流のうち、前記レーザ発振する横モード数が１から２に切り替わる電流を第１切替り電流としたとき、前記駆動装置は、前記バイアス電流と前記変調駆動電流の最大値との間に前記第１切替り電流が含まれないように設定した変調駆動電流を前記面発光レーザ素子に供給する。これにより、信号光の品質の劣化を抑制でき、良好な変調特性の面発光レーザ装置、光モジュールおよび面発光レーザ素子の駆動方法を提供することができる。
2014080770.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面発光レーザ素子と、
前記面発光レーザ素子に、バイアス電流を挟んで強度変調された変調駆動電流を供給する駆動装置と、
を備え、
前記面発光レーザ素子は、レーザ発振する横モードの数が、前記変調駆動電流の値に応じて１から多くとも３まで変化し、
前記面発光レーザ素子のレーザ発振する横モード数が切り替わる切替り電流のうち、前記レーザ発振する横モード数が１から２に切り替わる電流を第１切替り電流としたとき、前記駆動装置は、前記バイアス電流と前記変調駆動電流の最大値との間に前記第１切替り電流が含まれないように設定した変調駆動電流を前記面発光レーザ素子に供給することを特徴とする面発光レーザ装置。
【請求項２】
前記駆動装置は、前記バイアス電流が、前記第１切替り電流よりも大きい値である変調駆動電流を前記面発光レーザ素子に供給することを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ装置。
【請求項３】
前記駆動装置は、前記変調駆動電流の最大値が、前記切替り電流のうち前記第１切替り電流の高電流側に隣接する第２切替り電流よりも小さい値である変調駆動電流を前記面発光レーザ素子に供給することを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ装置。
【請求項４】
前記駆動装置は、前記変調駆動電流の最小値が、前記第１切替り電流よりも大きい値である変調駆動電流を前記面発光レーザ素子に供給することを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ装置。
【請求項５】
前記面発光レーザ素子は、
第１反射鏡および第２反射鏡と、
前記第１反射鏡と前記第２反射鏡との間に配置された活性層と、
前記第２反射鏡と前記活性層との間に配置され、電流注入部と選択酸化熱処理によって前記電流注入部の外周に形成された選択酸化層とを有する電流狭窄層と
を備え、前記第１切替り電流が前記値となるように前記電流注入部の開口径が調整されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の面発光レーザ装置。
【請求項６】
前記電流注入部の開口径が８μｍ以上であることを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザ装置。
【請求項７】
前記面発光レーザ素子は、前記変調駆動電流の範囲において前記レーザ発振する横モード数が最大となるときの横モード数が、基本モードと第１高次モードとの２つであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の面発光レーザ装置。
【請求項８】
前記面発光レーザ素子は、前記変調駆動電流の範囲において前記レーザ発振する横モード数が最大となるときの横モード数が、基本モードと第１高次モードと第２高次モードとの３つであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の面発光レーザ装置。
【請求項９】
前記変調駆動電流の最大値が１０ｍＡ以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の面発光レーザ装置。
【請求項１０】
変調速度が２５Ｇｂｐｓ以上であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の面発光レーザ装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１つに記載の面発光レーザ装置を備えることを特徴とする光モジュール。
【請求項１２】
バイアス電流を挟んで強度変調された変調駆動電流を供給したときに、レーザ発振する横モードの数が、前記変調駆動電流の値に応じて１から多くとも３まで変化する面発光レーザ素子の駆動方法であって、
前記面発光レーザ素子のレーザ発振する横モード数が切り替わる切替り電流のうち、前記レーザ発振する横モード数が１から２に切り替わる電流を第１切替り電流としたとき、前記バイアス電流と前記変調駆動電流の最大値との間に前記第１切替り電流が含まれないように設定した変調駆動電流を前記面発光レーザ素子に供給することを特徴とする面発光レーザ素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光レーザ装置、光モジュールおよび面発光レーザ素子の駆動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光インターコネクションなどの比較的短距離の光伝送においては、信号光源として面発光レーザ素子（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）が使用される場合がある。たとえば、非特許文献１では、８５０ｎｍ波長帯において複数の横モードがレーザ発振するマルチモード面発光レーザ素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】Ｐ．Ｗｅｓｔｂｅｒｇｈ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ，  Ｌｏｗ−Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｅｎｓｉｔｙ  ８５０  ｎｍ  ＶＣＳＥＬｓ”，  ＩＥＥＥ  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＳＥＬＥＣＴＥＤ  ＴＯＰＩＣＳ  ＩＮ  ＱＵＡＮＴＵＭ  ＥＲＥＣＴＲＯＮＩＣＳ，  ＶＯＬ．  １５，  ＮＯ．  ３，  ＭＡＹ／ＪＵＮＥ  ２００９，  ＰＰ．６９４−７０３．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、変調速度が高い高速光伝送を実現しようとする場合、信号光としては、スペクトル線幅が狭い、すなわち横モードの数が少ないレーザ光であることがより好ましい。【０００５】
しかしながら、横モード数が少ないレーザ光を出力する面発光レーザ素子を変調電流によって駆動した場合、変調されたレーザ信号光の品質が劣化し、良好な変調特性が得られない場合があるという問題があった。【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、良好な変調特性を有する面発光レーザ装置および面発光レーザ素子の駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る面発光レーザ装置は、面発光レーザ素子と、前記面発光レーザ素子に、バイアス電流を挟んで強度変調された変調駆動電流を供給する駆動装置と、を備え、前記面発光レーザ素子は、レーザ発振する横モードの数が、前記変調駆動電流の値に応じて１から多くとも３まで変化し、前記面発光レーザ素子のレーザ発振する横モード数が切り替わる切替り電流のうち、前記レーザ発振する横モード数が１から２に切り替わる電流を第１切替り電流としたとき、前記駆動装置は、前記バイアス電流と前記変調駆動電流の最大値との間に前記第１切替り電流が含まれないように設定した変調駆動電流を前記面発光レーザ素子に供給することを特徴とする。【０００８】
また、本発明に係る面発光レーザ装置は、上記発明において、前記駆動装置は、前記バイアス電流が、前記第１切替り電流よりも大きい値である変調駆動電流を前記面発光レーザ素子に供給することを特徴とする。【０００９】
また、本発明に係る面発光レーザ装置は、上記発明において、前記駆動装置は、前記変調駆動電流の最大値が、前記切替り電流のうち前記第１切替り電流の高電流側に隣接する第２切替り電流よりも小さい値である変調駆動電流を前記面発光レーザ素子に供給することを特徴とする。【００１０】
また、本発明に係る面発光レーザ装置は、上記発明において、前記駆動装置は、前記変調駆動電流の最小値が、前記第１切替り電流よりも大きい値である変調駆動電流を前記面発光レーザ素子に供給することを特徴とする。【００１１】
また、本発明に係る面発光レーザ装置は、上記発明において、前記面発光レーザ素子は、第１反射鏡および第２反射鏡と、前記第１反射鏡と前記第２反射鏡との間に配置された活性層と、前記第２反射鏡と前記活性層との間に配置され、電流注入部と選択酸化熱処理によって前記電流注入部の外周に形成された選択酸化層とを有する電流狭窄層とを備え、前記第１切替り電流が前記値となるように前記電流注入部の開口径が調整されていることを特徴とする。【００１２】
また、本発明に係る面発光レーザ装置は、上記発明において、前記電流注入部の開口径が８μｍ以上であることを特徴とする。【００１３】
また、本発明に係る面発光レーザ装置は、上記発明において、前記面発光レーザ素子は、前記変調駆動電流の範囲において前記レーザ発振する横モード数が最大となるときの横モード数が、基本モードと第１高次モードとの２つであることを特徴とする。【００１４】
また、本発明に係る面発光レーザ装置は、上記発明において、前記面発光レーザ素子は、前記変調駆動電流の範囲において前記レーザ発振する横モード数が最大となるときの横モード数が、基本モードと第１高次モードと第２高次モードとの３つであることを特徴とする。【００１５】
また、本発明に係る面発光レーザ装置は、上記発明において、前記変調駆動電流の最大値が１０ｍＡ以下であることを特徴とする。【００１６】
また、本発明に係る面発光レーザ装置は、上記発明において、変調速度が２５Ｇｂｐｓ以上であることを特徴とする。【００１７】
また、本発明に係る光モジュールは、上記発明のいずれか１つに記載の面発光レーザ装置を備えることを特徴とする。【００１８】
また、本発明に係る面発光レーザ素子の駆動方法は、バイアス電流を挟んで強度変調された変調駆動電流を供給したときに、レーザ発振する横モードの数が、前記変調駆動電流の値に応じて１から多くとも３まで変化する面発光レーザ素子の駆動方法であって、前記面発光レーザ素子のレーザ発振する横モード数が切り替わる切替り電流のうち、前記レーザ発振する横モード数が１から２に切り替わる電流を第１切替り電流としたとき、前記バイアス電流と前記変調駆動電流の最大値との間に前記第１切替り電流が含まれないように設定した変調駆動電流を前記面発光レーザ素子に供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、信号光の品質の劣化を抑制でき、良好な変調特性を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、実施の形態１に係る面発光レーザ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１に示す面発光レーザ素子の模式的な断面図である。
【図３】図３は、少数横モードのレーザ光のスペクトルの一例を示す図である。
【図４】図４は、実施の形態１におけるバイアス電流の設定の一例を示す図である。
【図５】図５は、比較形態におけるバイアス電流の設定の一例を示す図である。
【図６】図６は、実施例のバイアス電流の設定を示す図である。
【図７】図７は、比較例のバイアス電流の設定を示す図である。
【図８】図８は、実施例のアイダイアグラムを示す図である。
【図９】図９は、比較例のアイダイアグラムを示す図である。
【図１０】図１０は、本実施の形態２に係る２つの光送受信モジュールが、２本の光ファイバを介して接続している送受信システムを示す模式な平面図である。
【図１１】図１１は、面発光レーザと光導波路との光結合部分の例を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、図面を参照して本発明に係る面発光レーザ装置、光モジュールおよび面発光レーザ素子の駆動方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る面発光レーザ装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、この面発光レーザ装置１００は、演算処理装置１０１と、面発光レーザ素子１０２と、演算処理装置１０１と面発光レーザ素子１０２との間に設けられたレーザ駆動装置１０３と、を備えている。
【００２３】
演算処理装置１０１は、外部からの指令に従って演算を行い、その演算結果に従って、変調信号である差動電圧信号Ｖｓ１０１を出力する。また、演算処理装置１０１には、外部から供給電圧Ｖ１０１、Ｖ１０２が供給されている。供給電圧Ｖ１０１はたとえばＩ／Ｏ電圧の３．３Ｖ、供給電圧Ｖ１０２はたとえばコア電圧の１．５Ｖである。また、レーザ駆動装置１０３は、演算処理装置１０１が出力した差動電圧信号Ｖｓ１０１を増幅し、かつ供給されたバイアス電圧Ｖｂ１０１と重畳させて変調駆動電圧Ｖｄ１０１として出力する。変調駆動電圧Ｖｄ１０１は、バイアス電圧Ｖｂ１０１を挟んで強度変調された電圧信号であり、バイアス電圧Ｖｂ１０１より低い“０”レベルの電圧とバイアス電圧Ｖｂ１０１より高い“１”レベルの電圧とで構成される。
【００２４】
面発光レーザ素子１０２は、レーザ駆動装置１０３が出力した変調駆動電圧Ｖｄ１０１を印加され、変調駆動電流を供給されると、所望の波長のレーザ信号光を出力する。ここで、面発光レーザ素子１０２が出力するレーザ光は、その活性層の半導体材料のエネルギーバンドギャップに相当する波長を有している。また、バイアス電圧Ｖｂ１０１も、活性層の半導体材料のエネルギーバンドギャップに対応させたものとなる。たとえば、面発光レーザ素子１０２が出力するレーザ光の波長が１．１μｍ帯の場合は、たとえば１．５Ｖ程度のバイアス電圧Ｖｂ１０１が供給される。
【００２５】
つぎに、面発光レーザ素子１０２の具体的構成の一例について説明する。図２は、図１に示す面発光レーザ素子１０２の模式的な断面図である。
【００２６】
図２に示すように、この面発光レーザ素子１０２は、基板１と、基板１上に形成された第１反射鏡である下部ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ミラー２と、バッファ層３と、ｎ型コンタクト層４と、多重量子井戸構造を有する活性層５と、下部傾斜組成層６と、外周に位置する電流狭窄部７ａと電流狭窄部７ａの中心に位置する略円形の電流注入部（または開口部）７ｂとを有する電流狭窄層７と、上部傾斜組成層８と、ｐ型スペーサ層９と、ｐ＋型電流経路層１０と、ｐ型スペーサ層１１と、ｐ＋型コンタクト層１２とが順次積層した構造を有する。そして、活性層５からｐ＋型コンタクト層１２までが円柱状のメサポストＭを構成している。
【００２７】
基板１は、たとえばアンドープのＧａＡｓからなる。下部ＤＢＲミラー２は、たとえばＧａＡｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の３４ペアからなる。バッファ層３は、たとえばアンドープのＧａＡｓからなる。ｎ型コンタクト層４は、たとえばｎ型ＧａＡｓからなる。活性層５は、たとえば１．１μｍ帯のレーザ光用として、層数が３のＩｎＧａＡｓ層と層数が４のＧａＡｓ障壁層が交互に積層した構造を有しており、最下層のＧａＡｓ障壁層はｎ型クラッド層としても機能する。
【００２８】
電流狭窄層７については、たとえば電流狭窄部７ａはＡｌ２Ｏ３からなり、電流注入部７ｂは、ＡｌＡｓからなる。電流注入部７ｂの直径（開口径）Ａ１はたとえば６μｍ以上である。下部傾斜組成層６および上部傾斜組成層８は、たとえばＡｌＧａＡｓからなり、厚さ方向において電流狭窄層７に近づくにつれてそのＡｌ組成が段階的に増加するように構成されている。ｐ型スペーサ層９、１１とｐ＋型電流経路層１０、ｐ＋型コンタクト層１２とは、たとえばそれぞれ炭素をドープしたｐ型、ｐ＋型のＧａＡｓからなる。なお、各ｐ型またはｎ型層のアクセプタまたはドナー濃度はたとえば１×１０１８ｃｍ−３程度であり、ｐ＋型層のアクセプタ濃度はたとえば１×１０１９ｃｍ−３以上である。ＧａＡｓからなる各半導体層の屈折率は約３．４５である。
【００２９】
ｐ＋型コンタクト層１２上には、Ｐｔ／Ｔｉからなり、中心に開口部１３ａを有するｐ側円環電極１３が形成されている。メサポストＭおよびｐ側円環電極１３の外径は、たとえば３０μｍ以上であり、開口部１３ａの内径（開口径）Ａ２は、たとえば１１μｍ以上である。
【００３０】
ｐ側円環電極１３の開口部１３ａ内には、たとえば誘電体である窒化珪素（ＳｉＮｘ）からなる円板状の位相調整層１４が形成されている。この位相調整層１４は、光共振器を構成する下部ＤＢＲミラー２と上部ＤＢＲミラー１５との間に形成される光の定在波の節や腹の位置を適正に調整する機能を有する。
【００３１】
さらに、位相調整層１４上からメサポストＭの外周にわたって、誘電体からなる第２反射鏡である上部ＤＢＲミラー１５が形成されている。上部ＤＢＲミラー１５は、たとえばＳｉＮｘ／ＳｉＯ２の１０〜１２ペアからなるが、たとえばα−Ｓｉ／ＳｉＯ２またはα−Ｓｉ／Ａｌ２Ｏ３のペアを、その材料の屈折率に応じて９９％程度の適切な反射率がえられるようなペア数にしたものでもよい。
【００３２】
ｎ型コンタクト層４は、メサポストＭの下部から上部ＤＢＲミラー１５の外周側に延設しており、その表面にたとえばＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなる半円環状のｎ側電極１６が形成されている。ｎ側電極１６は、たとえば外径が８０μｍ、内径が４０μｍである。上部ＤＢＲミラー１５が形成されていない領域には、表面保護のためにＳｉＮｘなどの誘電体からなるパッシベーション膜１７が形成されている。
【００３３】
また、ｎ側電極１６に対して、パッシベーション膜１７に形成された開口部を介して接触するように、Ａｕからなる引き出し電極１８が形成されている。一方、ｐ側円環電極１３に対しても、パッシベーション膜１７に形成された開口部を介して接触するように、Ａｕからなる引き出し電極１８が形成されている。引き出し電極１８はレーザ駆動装置１０３と接続している。
【００３４】
面発光レーザ素子１０２は、引き出し電極１８からｎ側電極１６とｐ側円環電極１３とを介して変調駆動電圧Ｖｄ１０１を印加する。注入された変調駆動電流Ｖｄ１０１は主に低抵抗のｐ＋型コンタクト層１２とｐ＋型電流経路層１０とを流れ、さらに電流経路が電流狭窄層７によって電流注入部７ｂ内に狭窄されて、高い電流密度で活性層５に供給される。その結果、活性層５はキャリア注入されて自然放出光を発光する。自然放出光のうち、レーザ発振波長である１１００ｎｍ帯の光は、下部ＤＢＲミラー２と上部ＤＢＲミラー１５との間で定在波を形成し、活性層５によって増幅される。そして、注入電流がしきい値以上になると、定在波を形成する光がレーザ発振し、ｐ側円環電極１３の開口部１３ａから１１００ｎｍ帯のレーザ信号光が出力する。
【００３５】
面発光レーザ素子１０２は、注入する電流の値に応じてレーザ発振する横モードの数が変化する。具体的には、注入する電流値がしきい値電流を越えると、まず基本モードがレ−ザ発振する。このときレーザ発振する横モードの数は１である。さらに駆動電流を増加するにつれて、レーザ発振する横モード数が２、３、・・と段階的に増加する。本明細書では、少数（１〜３程度）の横モードがレーザ発振している状態を想定し、変調駆動電流を供給したときに、レーザ発振する横モードの数が、変調駆動電流の値に応じて１から多くとも３まで変化する状態を少数横モード発振状態と規定する。
【００３６】
図３は、少数横モードのレーザ光のスペクトルの一例を示す図である。縦軸は光強度をｄＢ単位で表している。図３のスペクトルでは、横モードとして、基本モードのレーザ光Ｍ１、第１高次モードのレーザ光Ｍ２、第２高次モードのレーザ光Ｍ３が表れている。このスペクトルにおいて、基本モードのレーザ光Ｍ１と第１高次モードのレーザ光Ｍ２との強度比ｄ１が３０ｄＢより小さく、第１高次モードのレーザ光Ｍ２と第２高次モードのレーザ光Ｍ３との強度比ｄ２が３０ｄＢ以上である。この場合、レーザ発振している横モード数は２である。
【００３７】
より一般的には、複数の横モードがスペクトル上に表れている場合、Ｎ（Ｎ＝１〜３）本目のモードのレーザ光と（Ｎ＋１）本目のモードのレーザ光との強度比が３０ｄＢ以上の場合、レーザ発振している横モード数はＮであると規定する。
【００３８】
ただし、Ｎ本目のモードのレーザ光と（Ｎ＋１）本目のモードのレーザ光との強度比が３０ｄＢ以上となるＮが存在しない場合、最も強度が高いモードからの強度比が３０ｄＢ以内のモードのうち、最も大きいＮにより横モード数をＮと規定する。たとえば、１本目のモードのレーザ光と２本目のモードのレーザ光との強度比が５ｄＢであり、２本目のモードのレーザ光と３本目のモードのレーザ光との強度比が２０ｄＢであり、３本目のモードのレーザ光と４本目のモードのレーザ光との強度比が２０ｄＢである、という状態の場合、Ｎ本目のモードのレーザ光と（Ｎ＋１）本目のモードのレーザ光との強度比が３０ｄＢ以上となるＮが存在しない。このとき、最も強度が高いモードがＮ＝１であれば、最も強度が高いモードからの強度比が３０ｄＢ以内のモードのうち、最も大きいＮは３となり、横モード数は３である。
【００３９】
ここで、上述したように、少数横モードのような、レーザ発振する横モード数が少ない面発光レーザ素子を変調駆動電流によって駆動した場合、出力するレーザ信号光の品質が劣化する場合があるという問題があった。
【００４０】
本発明者がその原因を精査したところ、駆動電流が強度変調により変調振幅内で変化する場合、その変化によって面発光レーザ素子のレーザ発振する横モード数が切り替わる場合がある。この切り替わりに起因して面発光レーザ素子内でのキャリア濃度の空間分布変動などが発生し、その結果としてレーザ信号光にノイズが重畳し、品質劣化が発生する場合があることを見いだした。さらに本発明者は、横モード数が切り替わる電流値が、変調駆動電流の変調振幅内であってもバイアス電流値よりも小さい場合は、レーザ信号光の品質劣化を大幅に抑制できることを見いだした。
【００４１】
そこで、本実施の形態１に係る面発光レーザ装置１００では、バイアス電流が、面発光レーザ素子１０２のレーザ発振する横モード数が切り替わる電流（以下、切替り電流という）の値よりも大きくなるように変調駆動電流（または変調駆動電圧Ｖｄ１０１）を設定することによって、レーザ信号光の品質劣化を大幅に抑制している。
【００４２】
図４は、本実施の形態１におけるバイアス電流の設定の一例を示す図である。図４の中央には、面発光レーザ素子１０２の電流−出力光強度特性とスロープ効率を模式的に示している。図４の場合は、第１切替り電流としての切替り電流Ｉｃ１にてレーザ発振の横モード数が１から２に切り替わり、切替り電流Ｉｃ１の高電流側に隣接する第２切替り電流としての切替り電流Ｉｃ２にて横モード数が２から３に切り替わっている。図面上部には横モード数が１、２の場合のスペクトルをそれぞれ示している。また、切替り電流Ｉｃ１、Ｉｃ２では電流−出力光強度特性にキンク（ｋｉｎｋ）が発生し、スロープ効率も変化する。
【００４３】
図４に示す例では、変調駆動電流Ｉｄ１を、バイアス電流Ｉｂ１が切替り電流Ｉｃ１よりも大きくなるように設定している。なお、具体的には、切替り電流Ｉｃ１は、変調駆動電流Ｉｄ１のバイアス電流Ｉｂ１と、変調駆動電流Ｉｄ１の最小値である“０”レベルの電流との間の値になっている。また、横モード数が２から３への切替り電流Ｉｃ２よりも、変調駆動電流Ｉｄ１の最大値である“１”レベルの電流が小さい値となっており、切替り電流Ｉｃ２は、バイアス電流Ｉｂ１と“１”レベルの電流との間には無い状態となっている。このように駆動電流を設定することによってレーザ信号光の品質劣化が大幅に抑制される。
【００４４】
一方、図５は、比較形態におけるバイアス電流の設定の一例を示す図である。図５の中央は、面発光レーザ素子１０２とは異なる比較用面発光レーザ素子の電流−出力光強度特性とスロープ効率を模式的に示している。比較用面発光レーザ素子は、第１切替り電流としての切替り電流Ｉｃ３にてレーザ発振の横モード数が１から２に切り替わるものとする。
【００４５】
図５に示す例では、変調駆動電流Ｉｄ１を、バイアス電流Ｉｂ１が切替り電流Ｉｃ３よりも小さくなるように設定している。具体的には、切替り電流Ｉｃ３は、バイアス電流Ｉｂ１と、“１”レベルの電流との間の値になっている。このように、横モード数が１から２に切り替わる切替り電流Ｉｃ３が、バイアス電流Ｉｂ１と、“１”レベルの電流との間の値になるように変調駆動電流Ｉｄ１を設定すると、レーザ信号光の品質は図４の例の場合よりも劣化する。
【００４６】
なお、横モード数の切り替わりがレーザ信号光の品質に与える影響については、横モード数が１から２に切り替わる場合がもっとも影響が大きく、２から３、３から４と、より高次モードが増加する切り替わりの場合は、影響が小さくなる。
【００４７】
その結果、たとえば図４の変形例１として、横モード数が１から２への切替り電流Ｉｃ１が、バイアス電流Ｉｂ１と“０”レベルの電流との間にあり、かつ横モード数が２から３への切替り電流Ｉｃ２が、バイアス電流Ｉｂ１と“１”レベルの電流との間にあるように変調駆動電流Ｉｄ１を設定した場合と、横モード数が１から２への切替り電流Ｉｃ３が、バイアス電流Ｉｂ１と“１”レベルの電流との間にある比較形態とを比較した場合、変形例１の場合の方が、レーザ信号光の品質劣化はより少ない。
【００４８】
すなわち、バイアス電流Ｉｂ１の近傍の切替り電流（第１切替り電流）よりも、バイアス電流Ｉｂ１が大きくなるように設定されていれば、より高次モードが増加する第２切替り電流が、バイアス電流Ｉｂ１と“１”レベルの電流との間にあっても、レーザ信号光の品質劣化を抑制する効果がある。
【００４９】
また、図４の変形例２として、変形例１において横モード数が１から２への切替り電流Ｉｃ１よりも、変調駆動電流Ｉｄ１の最小値である“０”レベルの電流の方が大きくなるように変調駆動電流Ｉｄ１を設定すると、変形例１よりも好ましい。さらには、図４の変形例３として、横モード数が１から２への切替り電流Ｉｃ１よりも、“０”レベルの電流の方が大きく、かつ横モード数が２から３への切替り電流Ｉｃ２よりも、“１”レベルの電流の方が小さくなるように変調駆動電流Ｉｄ１を設定すると、切替り電流が変調駆動電流の変調振幅内に含まれない。すなわち、面発光レーザ素子の駆動中にレーザ発振の横モードの数が変化しないので、レーザ信号光の品質劣化がさらに抑制され、変形例１、２よりも好ましい。
【００５０】
つぎに、本発明の実施例、比較例として、図１に示す構成の面発光レーザ装置を作製し、変調速度１０Ｇｂｐｓの変調駆動電圧を面発光レーザ素子に印加して駆動し、出力されるレーザ信号光のアイダイアグラムを測定した。
【００５１】
ここで、実施例の面発光レーザ素子としては、図６に示す電流−出力光強度特性およびスロープ効率特性を有するものを用いた。この面発光レーザ素子は、レーザ発振の横モード数が１から２への切替り電流が約３ｍＡであり、横モード数が２から３への切替り電流が約９ｍＡであった。そこで、変調駆動電流Ｉｄ２のバイアス電流Ｉｂ２を５ｍＡとし、変調駆動電流Ｉｄ２の範囲を２．５ｍＡ〜７．５ｍＡ（±２．５ｍＡ）とした。すなわち、この実施例では、変調駆動電流Ｉｄ２についてのバイアス電流Ｉｂ２を、バイアス電流Ｉｂ２の近傍の値を有する第１切替り電流（約３ｍＡ）よりも大きい５ｍＡとし、かつそれより高電流側の第２切替り電流がバイアス電流Ｉｂ２と“１”レベルの電流との間に無いように駆動電流Ｉｄ２を設定している。
【００５２】
なお、実施例の面発光レーザ素子のしきい値電流は約０．３ｍＡであるから、バイアス電流Ｉｂ２である５ｍＡは、しきい値電流の約１７倍である。このように、バイアス電流Ｉｂ２を大きくすると緩和振動周波数が増大して高速変調がしやすくなる。バイアス電流Ｉｂ２は、たとえば面発光レーザ素子のしきい値電流の５倍以上であることが好ましい。
【００５３】
一方、比較例の面発光レーザ素子としては、図７に示す電流−出力光強度特性およびスロープ効率特性を有するものを用いた。この面発光レーザ素子は、レーザ発振の横モード数が１から２への切替り電流が約６ｍＡであった。この比較例に対しても、実施例と同様に、変調駆動電流Ｉｄ２のバイアス電流Ｉｂ２を５ｍＡとし、変調駆動電流Ｉｄ２の範囲を２．５ｍＡ〜７．５ｍＡ（±２．５ｍＡ）とした。すなわち、この比較例では、第１切替り電流（約６ｍＡ）は、バイアス電流Ｉｂ２である５ｍＡと“１”レベルの電流である７．５ｍＡとの間の値となっている。
【００５４】
図８は、実施例のアイダイアグラムを示す図である。図９は、比較例のアイダイアグラムを示す図である。図８、９に示すように、比較例のアイダイアグラムでは、トレースが太くなっていた。この現象は、比較例ではレーザ信号光のノイズが大きく、伝送データの誤り率が高いことを示している。一方、実施例のアイダイアグラムでは、トレースが細いままであった。この現象は、実施例ではレーザ信号光のノイズが小さく、伝送データの誤り率が低いことを示している。
【００５５】
また、レーザ信号光のノイズは時間軸方向ではジッタとして表れる。変調速度が高くなると、１ビットあたりの時間が短くなるので、ジッタの影響は相対的に大きくなる。従って、実施例の面発光レーザ装置において、変調速度が高い場合、たとえば変調速度が２５Ｇｂｐｓ以上のとき、信号光の品質の劣化を抑制でき、良好な変調特性を実現できるという効果が顕著となる。
【００５６】
上記実施の形態１と比較形態とでは、変調駆動電流の設定は同じであるが、その変調駆動電流に対して所定の関係にある切替り電流値を有する面発光レーザ素子を用いることによって、本発明の実施の形態１としての効果を奏する面発光レーザ装置を実現するようにしている。このような実施の形態１は、所望の変調駆動電流に対して本発明の実施の形態１としての効果を得たい場合に有効である。
【００５７】
レーザ発振する横モード数の切替り電流値は、たとえば図２の面発光レーザ素子１０２の電流狭窄層７の開口部の開口径Ａ１やｐ側円環電極１３の開口部１３ａの開口径Ａ２を変更することで調整することができる。
【００５８】
好ましい例としては、電流狭窄層７の開口径Ａ１を６μｍ以上とし、発振する横モード数を２とし、ｐ側円環電極１３の開口径Ａ２を１１μｍ以上とし、発振させるモードである基本モードおよび第１高次モードの電界強度分布が、ｐ側円環電極１３とあまりオーバーラップせず、損失があまり発生しないようにすることが好ましい。このように損失を抑制することによって、第１高次モードの発振しきい値電流が小さくなるので、バイアス電流を低く設定することが可能となる。
【００５９】
別の好ましい例としては、電流狭窄層７の開口径Ａ１を８μｍ以上とし、発振する横モード数を２または３とし、ｐ側円環電極１３の開口径Ａ２を１２μｍ以上とし、発振させるモードである基本モードおよび第１高次モード（横モード数が３の場合はさらに第２高次モード）の電界強度分布が、ｐ側円環電極１３とあまりオーバーラップせず、損失があまり発生しないようにすることが好ましい。このように損失を抑制することによって、所望の高次モードの発振しきい値電流が小さくなるので、上記と同様にバイアス電流を低く設定することが可能となる。
【００６０】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態１に係る面発光レーザ装置は、面発光レーザアレイ、受光素子アレイ、光ファイバケーブル等の光導波路と組み合わせて様々な並列光モジュールを構成することができる。
【００６１】
図１０は、本実施の形態２に係る２つの光送受信モジュール２００Ａ、２００Ｂが、２本の光ファイバケーブルである光導波路２１０Ａ、２１０Ｂを介して接続している送受信システムを示す模式な平面図である。図１０において、光送受信モジュール２００Ａは、保持部材２０１Ａと、保持部材２０１Ａ上に設けられた各要素、すなわち、光ファイバケーブル等の光導波路２１０Ａ、２１０Ｂを載置してこれらの位置決めを行うためのスペーサ２０６Ａ、光導波路２１０Ａを介して光信号を送信する本発明の面発光レーザアレイ２０２Ａ、光導波路２１０Ｂを介して送信されてきた光信号を受信し電気信号に変換する受光素子アレイ２０３Ａ、面発光レーザアレイ２０２Ａの発光状態を制御する駆動回路２０４Ａ、および受光素子アレイ２０３Ａが変換した電気信号を増幅する増幅回路２０５Ａとで構成されている。面発光レーザアレイ２０２Ａは外部の制御部（図示しない）からの制御信号によって駆動回路２０４Ａを介して発光制御される。また、受光素子アレイ２０３Ａが変換した電気信号は増幅回路２０５Ａを介して制御部へ送信される。なお、煩雑さを避けるために、駆動回路２０４Ａと面発光レーザアレイ２０２Ａおよび増幅回路２０５Ａと受光素子アレイ２０３Ａのワイヤボンディングは記載を省略している。
【００６２】
なお、光送受信モジュール２００Ｂは、光送受信モジュール２００Ａと同様の構成を有するが、一方の光送受信モジュールの面発光レーザからの光信号が光導波路を介して他方の光送受信モジュールの受光素子で受信するというように、対になるように接続される。すなわち、光送受信モジュール２００Ｂは、保持部材２０１Ｂと、保持部材２０１Ｂ上に設けられた各要素、すなわち、光導波路２１０Ａ、２１０Ｂの位置決めを行うためのスペーサ２０６Ｂ、光導波路２１０Ｂを介して光信号を送信する本発明の面発光レーザアレイ２０２Ｂ、光導波路２１０Ａを介して送信されてきた光信号を受信し電気信号に変換する受光素子アレイ２０３Ｂ、面発光レーザアレイ２０２Ｂの発光状態を制御する駆動回路２０４Ｂ、および受光素子アレイ２０３Ｂが変換した電気信号を増幅する増幅回路２０５Ｂとで構成されている。面発光レーザアレイ２０２Ｂは外部の制御部（図示しない）からの制御信号によって駆動回路２０４Ｂを介して発光制御される。また、受光素子アレイ２０３Ｂが変換した電気信号は増幅回路２０５Ｂを介して制御部へ送信される。
【００６３】
つぎに、図１０に示す光送受信モジュール２００Ａ、２００Ｂにおける面発光レーザアレイ２０２Ａ、２０２Ｂと光導波路２１０Ａ、２１０Ｂとの光結合部分について具体的に説明する。なお、以下では、光送受信モジュール２００Ａの面発光レーザアレイ２０２Ａと光導波路２１０Ａとの光結合部分の説明を行うが、これらの光結合部分は光送受信モジュール２００Ｂの面発光レーザアレイ２０２Ｂと光導波路２１０Ｂとの光結合部分に対しても適用できるものである。
【００６４】
図１１は、面発光レーザアレイ２０２Ａと光導波路２１０Ａとの光結合部分の例を示す側面図である。図１１に示す例では、光結合手段として、面発光レーザアレイ２０２Ａ上であって光導波路２１０Ａの端面側方に、面発光レーザアレイ２０２Ａに対向する入射面２２０ａと光導波路２１０Ａの端面に対向する出射面２２０ｂとを有し、内部に反射面２２１の設けられたミラーアセンブリ２２０が設置されている。そして、面発光レーザアレイ２０２Ａから出射した光信号Ｌは、ミラーアセンブリ２２０に入射面２２０ａから入射し、反射面２２１によって反射され、出射面２２０ｂから出射されて光導波路２１０Ａの端面で結合し、光導波路２１０Ａ内を伝播する。なお、ミラーアセンブリ２２０の入射面２２０ａおよび／または出射面２２０ｂに、コリメートや集光を行なうためのマイクロレンズ（アレイ）を設けてもよい。
【００６５】
上記の通り、光送受信モジュールを対向させ、変調速度１２．５Ｇｂｐｓ、信号データＰＲＢＳ：２３１−１を用いて、実施例の面発光レーザ装置を搭載した光モジュールおよび比較例の面発光レーザ装置を搭載した光モジュールのジッタ特性を評価した。その結果、比較例の面発光レーザ装置を搭載した光モジュールでは、測定系のバックグラウンド分を除いたジッタが０．３５ＵＩ（ユニットインターバル、１ビットあたりの時間）以上と大きかった。一方、実施例の面発光レーザ装置を搭載した光モジュールでは、ジッタが０．２ＵＩと十分低い値が得られた。ここで良好な伝送特性の目安として、ジッタは０．３ＵＩ以下であることが望ましい。このように、実施例の面発光レーザ装置を備えた光モジュールは、信号光の品質の劣化を抑制でき、良好な変調特性を実現した光モジュールである。
【００６６】
ただし、本発明はこれに限られず、使用したい所望の面発光レーザ素子を、その切替り電流値と所定の関係にある変調駆動電流で駆動して、本発明の実施の形態としての効果を奏する面発光レーザ装置を実現するようにしてもよい。なお、変調駆動電流の例としては、典型的にはバイアス電流が５ｍＡ、振幅が３ｍＡであるが、バイアス電流が３ｍＡ〜７ｍＡ、振幅が２ｍＡ〜３ｍＡであってもよい。この場合、変調駆動電流の最大値は、１０ｍＡ以下である。
【００６７】
また、本発明に対して使用できる面発光レ−ザ素子は、図２に示す構成のものに限定されない。たとえば、本発明は、イントラキャビティ構造でない面発光レーザ素子にも適用できる。すなわち、活性層に注入されるキャリアが、下部ＤＢＲミラーおよび／または上部ＤＢＲミラーのそれぞれを経由して活性層に注入される構造の面発光レーザ素子にも本発明は適用できる。
【００６８】
また、上記実施の形態では、活性層の下部にｎ型半導体層が配置され、活性層の上部にｐ型半導体層が配置されているが、活性層の上部にｎ型半導体層が配置され、活性層の下部にｐ型半導体層が配置されていてもよい。
【００６９】
また、上記実施の形態では、１．１μｍ波長帯用にその化合物半導体の材料、サイズ等が設定されている。しかしながら、各材料やサイズ等は、所望のレーザ光の発振波長に応じて適宜設定されるものであり、特に限定はされない。たとえば、各半導体層を構成する半導体材料としてＩｎＰ系の材料を用いてもよい。この場合、Ａｌ含有層はＩｎＡｌＡｓ層で構成することができる。
【００７０】
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
以上のように、本発明に係る面発光レーザ装置は、光通信の分野に利用して好適なものである。
【符号の説明】
【００７２】
１  基板
２  下部ＤＢＲミラー
３  バッファ層
４  ｎ型コンタクト層
５  活性層
６  下部傾斜組成層
７  電流狭窄層
７ａ  電流狭窄部
７ｂ  電流注入部
８  上部傾斜組成層
９、１１  ｐ型スペーサ層
１０  ｐ＋型電流経路層
１２  ｐ＋型コンタクト層
１３  ｐ側円環電極
１３ａ  開口部
１４  位相調整層
１５  上部ＤＢＲミラー
１６  ｎ側電極
１７  パッシベーション膜
１８  引き出し電極
１００  面発光レーザ装置
１０１  演算処理装置
１０２  面発光レーザ素子
１０３  レーザ駆動装置
２００Ａ、２００Ｂ  光送受信モジュール
２０１Ａ、２０１Ｂ  保持部材
２０２Ａ、２０２Ｂ  面発光レーザアレイ
２０３Ａ、２０３Ｂ  受光素子アレイ
２０４Ａ、２０４Ｂ  駆動回路
２０５Ａ、２０５Ｂ  増幅回路
２０６Ａ、２０６Ｂ  スペーサ
２１０Ａ、２１０Ｂ  光導波路
２２０  ミラーアセンブリ
２２１  反射面
Ａ１、Ａ２  開口径
ｄ１、ｄ２  強度比
Ｉｂ１、Ｉｂ２  バイアス電流
Ｉｃ１、Ｉｃ２、Ｉｃ３  切替り電流
Ｉｄ１、Ｉｄ２  変調駆動電流
Ｌ  光信号
Ｍ  メサポスト
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３  レーザ光
Ｖｓ１０１  差動電圧信号
Ｖ１０１、Ｖ１０２  供給電圧
Ｖｂ１０１  バイアス電圧
Ｖｄ１０１  変調駆動電圧
【図１】
2014080770.tif 000003
【図２】
2014080770.tif 000004
【図３】
2014080770.tif 000005
【図４】
2014080770.tif 000006
【図５】
2014080770.tif 000007
【図６】
2014080770.tif 000008
【図７】
2014080770.tif 000009
【図８】
2014080770.tif 000010
【図９】
2014080770.tif 000011
【図１０】
2014080770.tif 000012
【図１１】
2014080770.tif 000013
【国際調査報告】
2014080770.tif 000014
2014080770.tif 000015
2014080770.tif 000016
2014080770.tif 000017