光モジュール
【課題】 本願発明の課題は、変調器集積レーザのモジュール消費電力を低減することにある。
【解決手段】 レーザ活性層領域を構成する多重量子井戸をＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓで構成することによって、高温に素子を保っても信頼性および光出力レベルをたもつ。このとき変調器とレーザの波長の発振波長とバンドギャップ波長の差は上記素子設定温度上昇に比例した分だけ大きくとることが伝送特性を維持するために必要である。このことによってモジュールケース温度と素子設定温度差が小さくなり、モジュール消費電力を低減することができる。
【解決手段】 レーザ活性層領域を構成する多重量子井戸をＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓで構成することによって、高温に素子を保っても信頼性および光出力レベルをたもつ。このとき変調器とレーザの波長の発振波長とバンドギャップ波長の差は上記素子設定温度上昇に比例した分だけ大きくとることが伝送特性を維持するために必要である。このことによってモジュールケース温度と素子設定温度差が小さくなり、モジュール消費電力を低減することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、半導体レーザ素子部と変調器とを有する光モジュールに関するものである。本願発明の光モジュールは、温度コントロールされた、例えば、電界吸収型光変調器集積レーザを含む光送信モジュールに適用して極めて有用である。光ファイバ通信において電気信号を光信号に変換する
【背景技術】
【０００２】
従来、光通信用の変調器集積型半導体レーザ（以下、変調器集積レーザと記す）では、半導体レーザにおいて、レーザの発振波長、光出力パワ、および変調器の消光カーブの形状、チャーピング特性を環境温度の変化等が変化しても長期間、安定に保つために変調器集積レーザの素子温度を一定に保つ必要があった。
【０００３】
例えば、従来の変調器集積型レーザでは、レーザ活性層および変調器吸収層にＩｎＧａＡｓＰ（インジウム・ガリウム・砒素・燐）からなる多重量子井戸(ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ)から構成されている。従って、バンド構造の特徴から高温での光出力の低下が問題となると同時に、波長の長期安定性に問題が発生する。この為、これまで、半導体レーザ素子は、３０℃以下に設定して素子温度を一定に保ちつつ、光信号を送信していた。
【０００４】
又、最近、光ネットワークおよび送信モジュールの効率的運用を目的として、波長可変機能を持った光変調器集積レーザが知られている。例えば、文献(１)日本公開特許公報、特開平４―７２７８３号あるいは、最近の文献では文献(２)ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ． Ｖｏｌｕｍｅ １２、Ｎｏ．３、ｐ．２４２に見られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】日本公開特許公報、特開平４―７２７８３号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ． Ｖｏｌｕｍｅ １２、Ｎｏ．３、ｐ．２４２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
いま、こうした変調器集積素子を含む光送信モジュールは、そのケースの外壁の温度が高温（例えば７５℃）になることを想定して製作さればならない。しかし、図１に示すように、変調器集積素子の温度とモジュールのケース温度の差が大きくなるに従って、ペルチェ・クーラの消費電力が急激に消費電力が増大してしまうことが分かる。図１は半導体レーザ装置のケース温度と素子温度の差と、ペルチェ・クーラの消費電力との関係の例を示す図である。
【０００８】
更に、その他のレーザ駆動用の消費電力は、０．２Ｗ程度であるから、モジュール全体の消費電極が急激に増大することになる。
【０００９】
しかし、レーザ活性層領域にＩｎＧａＡｓＰから構成された多重量子井戸構造を用いると、（１）光出力が低減すること、および、（２）発振波長の長期安定性が保持されないために、変調器集積レーザの設定温度は３０℃以下に設定しなければならなかった。一方、半導体レーザ装置内の平均温度は、通常４０℃程度以上である。従って、素子に対する設定温度を上昇させることは、ケース温度と素子温度との差を低減することになる。このことは、モジュール動作時の消費電力を低減できることを意味する。また、当該モジュールを組み込んだ光送信ボードあるいは光伝送装置の小型化を図る為には、発熱元となる本モジュールや他の駆動用ＩＣを接近させて配置させなければならず、チップの周囲の温度はさらに上昇する要因を有することになる。
【００１０】
従来のレーザ活性層にＩｎＧａＡｓＰを用いた変調器集積半導体レーザでは、上記２つの問題点のために設定温度を上昇させてモジュール消費電力を低減することができなかった。
【００１１】
前述の波長可変機能を持った光変調器集積レーザに対しては、波長可変を行うためにレーザ部分の温度をコントロールして波長を制御する方法が有力である。前記文献(２)の場合には、レーザ部分だけでなく素子全体の温度コントロールを行っている。この方法はレーザの活性層付近の温度を変化させることによって、分布帰還型レーザの発振波長を変化させる方法である。しかし、上記のように高温での出力レベルおよび長期にわたる発振波長の安定性に問題があり、最も長波長の光を得る動作条件として３０℃以下の素子温度しか許されない。このため波長可変幅を大きくするためには素子温度を低温にしなければならない。このため、当該モジュールの外壁ケース温度との差が大きくなりモジュール消費電力が増大するという問題があった。また、光変調器には光デジタル信号を長距離伝送するのに適した光波長は温度によって変化し、その変化率は０．８ｎｍ／℃であるのに対し、上記レーザ発振波長の温度に対する変化率は０．１ｎｍ／℃である。このため、レーザと変調器を同じ温度のまま波長変化を得るために、素子全体の温度を変化させると、光変調器の最適動作波長からどんどんずれて行ってしまう。
【００１２】
これを防ぐために変調器の温度をレーザ部の温度と独立に制御しなければならない。素子のほとんどの部分の温度をペルチェ素子（電子温度調節素子、電子冷却（及び加熱）素子）によって制御し、レーザ活性層近傍の温度を素子上に装荷されたヒータによって制御する場合、装荷したヒータに電流を流さない場合のレーザ活性層温度が低い方が、レーザ発振波長を長波長化した場合のレーザ発振波長が最も短波長に設定されたときのレーザ部温度を十分低く設定しなければ、長波長に波長を変化させたときの光出力の劣化を最小限にとどめたまま、大きな波長可変幅を確保することができなくなる。このようにＩｎＧａＡｓＰのＭＱＷから構成されたレーザでは、高温時の出力低下が問題となるため素子の最低設定温度を低くしなければならないが、このために光送信モジュールのケース温度が高くなると消費電力が大きくなるという問題は、最低温度が室温より低い場合が多く、上記波長可変機能の無い通常の光送信モジュールの場合よりも深刻である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願発明の基本的形態は、半導体レーザ発光部と、当該半導体レーザ発光部よりの光を変調する光変調部と、少なくとも前記光変調部を温度制御する温度制御手段と、を少なくとも有し、且つ、前記半導体レーザ発光部は活性層領域が、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、及びＡｓの４元混晶およびＩｎ、Ｇａ、Ｎ、及びＡｓの４元混晶の群より選ばれた少なくとも二つの４元混晶の層を有する多重量子井戸構造を有し、少なくとも前記変調器部の動作時の温度が摂氏３０度以上として温度設定が可能なことを特徴とする光モジュールである。前記変調器と半導体レーザ素子を有する場合、その温度設定は、半導体レーザ素子の発光部及びこの半導体レーザ素子に熱的に接触した半導体レーザ素子の発光部を保持する部材の温度を前記摂氏３０度以上として温度設定が可能な形態が多用される。前記半導体レーザ素子の発光部、具体的にはその活性層領域が、温度制御には重要な領域である。
【００１４】
本願発明においては、半導体レーザ発光部は活性層領域が、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、及びＡｓの４元混晶系あるいはＩｎ、Ｇａ、Ｎ、及びＡｓの４元混晶系の群より選ばれた４元混晶の層で多重量子井戸構造を構成することが重要である。Ａｌを含有する４元系化合物半導体材料を用いることによって、高温雰囲気における光出力特性を確保することが可能となる。あるいは、Ｎ含有の化合物半導体材料でも、類似のことが言える。
【００１５】
Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、及びＡｓの４元系化合物半導体材料を用いることによって、伝導帯のバンドオフセットの値が、価電子帯のバンドオフセットの値より大きくすることが可能となる。従って、高温での注入電流のオバーフローが減少する。こうして、本願発明では、高温での光出力の低減が抑えられるのである。このように、本願発明では、伝導帯のバンドオフセットの値が、価電子帯のバンドオフセットの値より大きくすることが、極めて重要である。
【００１６】
この為、前記量子井戸構造の構成する化合物半導体材料として、他の化合物半導体材料を用いた場合、所定光出力を得る為に、光変調器部を冷却する必要を、極めて軽減することが出来る。即ち、変調器部を摂氏３０度以上の温度に設定できるからである。
【００１７】
更には、本願発明においては、通例、半導体素子部に対して用いている前記の温度制御手段、例えば、ペルチエ素子などは不要とすることが出来る。勿論、本願発明の趣旨を、通例の前記温度制御手段を用いても実施することができる。この場合も、設定温度を、通例より高温、例えば、摂氏３１度、３２度、３３度、あるいは３４度といったように設定できるので、その消費電力を極めて低減することが出来る。尚、本願明細書において、「冷却手段を有せず」との意図は、こうした強制的な冷却手段、電力消費を伴う冷却手段、具体的には電力消費を伴う素子、例えば、ペルチエ素子を有せずとの意図である。従って、例えば、構造上の工夫に伴う冷却手段等を排除するものではない。
【００１８】
更には、少なくとも、前記本光モジュールの動作時の温度が、摂氏３５度以上として温度設定することが可能である。この場合、ますます、その消費電力を極めて低減することが出来る。勿論、この場合も、本願発明の趣旨を、通例の前記温度制御手段を用いて実施することができる。この場合も、設定温度を、通例より高温に設定できるので、その消費電力を極めて低減することが出来る。
【００１９】
これまで、半導体レーザ装置、わけても光変調器を搭載した半導体発光装置において、こうした高温での動作が可能なことは、考えられもしなかったのである。本願発明が、初めてこのことを実現したものである。
【００２０】
ＩｎＧａＡｌＡｓ系の化合物半導体、ＩｎＧａＮＡｓ系の化合物半導体を用いての前記量子井戸構造の構成は、通例の方法に従ってよい。
【００２１】
本願発明の発明思想は、多点発光の半導体レーザ装置、複数の発振波長を有する半導体レーザ装置、半導体レーザ部と光変調部とを有する半導体発光装置などに有用である。例えば、ＤＷＤＭの所定波長に対応する発光部が、複数、即ちマルチチップとして構成することが出来る。又、半導体レーザ部が、波長の異なる複数の発振を有する場合、本願発明は極めて有用である。
【００２２】
わけても、本願発明は、変調器が集積された半導体レーザ装置に有用である。この場合、複数の発光部を有し、これらの光を合波器にて合波し、光変調器で光の変調を行う形態の半導体発光装置が、その代表的形態である。
【００２３】
本願発明は、前記半導体レーザ素子部及び前記光変調部、あるいは合波器など、半導体発光装置を構成する諸部分の各々が別体の半導体素子部として構成された形態、あるいは、これら諸部分が、同一の基板に集積された半導体素子として構成された形態をも取り得る。
【００２４】
前記変調器としては、通例の電界吸収型光変調器が有用である。
【００２５】
本願発明の最も代表的な例では、半導体レーザ部の活性層領域の近傍には、温度制御手段、例えばヒータが設けられ、その発振波長の制御が可能となっている。更に、こうした例では、多くの場合、光変調器部の光変調吸収層の近傍に、温度制御手段、例えばヒータが設けられている。
【発明の効果】
【００２６】
本願発明によれば、高温動作時においても、発振波長の安定性を確保しつつ、低消費電力なる光モジュールを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、素子温度とモジュールケース温度の差と、消費電力との関係を例示する図である。
【図２】図２は、ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸のバンドダイヤグラムである。
【図３】図３は、ＩｎＧａＡｌＡｓ多重量子井戸のバンドダイヤグラムである。
【図４】図４は、光出力とレーザ活性層領域の温度との関係を示す図である。
【図５】図５は、モジュールの上面図である。
【図６】図６は、モジュールの断面図である。
【図７】図７は、変調器を集積したレーザ素子の斜視図である。
【図８】図８は、変調器を集積したレーザ素子の光の進行方向と交差する面での断面図である。
【図９】図９は、本願発明を適用した、変調器を集積したレーザ装置の電流・光出力の関係を示す図である。
【図１０】図１０は、多点発光のレーザ素子を集積した素子の斜視図である。
【図１１】図１１は、多点発光のレーザ素子を集積した素子の断面図である。
【図１２】図１２は、変調器近傍にヒータを装着した波長可変レーザの斜視図である。
【図１３】図１３は、波長制御を行う為の機構の例を示すループ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本願発明の具体的の例を説明するに先立って、本願発明に係わる技術的詳細を説明する。更には、従来技術との比較も例示する。
【００２９】
本願発明の代表例では、光出力を維持するとともに、高温での発振波長安定性を確保した状態でモジュールの消費電力を低減するためにレーザ活性層として伝導帯のバンドオフセットを１００ｍｅＶ以上としたＩｎＧａＡｌＡｓを用いて構成されたＭＱＷを採用する。こうした、バンドオフセットを用いることによって、本願発明はより効果的である。
【００３０】
図２はＩｎＧａＡｓＰのＭＱＷのバンド構造を模式的に示す図である。このＭＱＷの例は、ＩｎＧａＡｓＰの井戸層１０２とＩｎＧａＡｓＰの障壁層１０３で構成される。符号１００は伝導帯の下端、符号１０１は価電子帯の上端を示している。符号１０４は電子、１０５は正孔を示す。正孔１０７は各井戸層に不均一に注入されている。図２に示すように、ＩｎＧａＡｓＰのＭＱＷでは、通常伝導帯のバンドオフセットは価電子帯のバンドオフセットと同程度かこれより小さい。
【００３１】
しかし、適切な歪のＩｎＧａＡｌＡｓ―ＭＱＷでは、図３に示すように伝導帯のバンドオフセットが価電子帯のバンドオフセットよりも大きくなる。図３は、ＩｎＧａＡｌＡｓのＭＱＷのバンド構造を模式的に示す図である。このＭＱＷの例は、ＩｎＧａＡｌＡｓの井戸層１１２とＩｎＧａＡｌＡｓの障壁層１１３で構成される。符号１１０は伝導帯の下端、符号１１１は価電子帯の上端を示している。符号１１４は電子、１１５は正孔を示す。
【００３２】
こうした構成よって、高温での注入電流のオーバーフローが減少し、高温での光出力の低減を抑圧できる。
【００３３】
これと同時に、図２のＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷでは、高温でのキャリアのオーバーフローが顕著になるため、光出力を一定に保つ制御をかけた状態で動作させている場合、結晶の劣化による光出力低下を補うためにキャリアのオーバフロー分だけ電流注入大きくしなければならない。言い換えれば、伝導帯のバンドオフセットが小さい場合、スロープ効率が電流注入レベルが高いときに低下し、余分な電流注入増加をもたらす。これによって、伝導帯オフセットが小さい従来のＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷを用いた変調器集積レーザの場合には、ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷを用いた変調器集積レーザに比べて発振波長の長波長化が大きく、発振波長の長期安定性が高温動作の場合に保てない。
【００３４】
図４は、レーザ素子の温度と光出力の関係を例示する図である。曲線２００はＩｎＧａＡｌＡｓを用いた半導体レーザ装置、曲線２０１はＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷを用いた変調器集積レーザの例を示す。実際、図４に示すように、本願発明においては、レーザ活性層が高温になっても出力パワの低下は小さい。これによってモジュール動作時の素子および素子周囲温度をより高温まで上昇させることができる。但し、「モジュール動作時」とは、レーザから光信号が送信されており、所望の距離のファイバ伝送後に、十分なアイ開口が得られている状態のことである。従って、この状態は、レーザ、変調器、温度調整機構、および波長調整機構が通電されて設計どおりの動作を行っている状態をさす。また、「素子の周囲温度」とは、素子を温度制御するためのペルチェ等の温度調整素子と素子の間にある素子を物理的に保持する部分の温度をしめす。実際には、図５及び図６で示すように、素子を保持するキャリア上に接触したサーミスタの示す温度を素子温度とする。実際に光送信モジュールが設置される光送信装置は４０〜５０℃以上となる場合が多い。尚、図５及び図６の詳細は後述される。
【００３５】
レーザ活性層として、この材料を用いた場合には、光送信モジュールの平均消費電力を最小に抑えるために、光送信モジュールのケース温度の平均値付近に変調器集積素子の温度を保つ必要がある。
【００３６】
又、高密度波長多重（ＤＷＤＭ：Ｄｅｎｓｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）伝送を行うためのレーザモジュールは、一つのレーザモジュールが多くのチャネルの波長に対応することができれば、故障時のバックアップ光源を削減することができる。従って、この形態は、伝送装置コスト制限するとともに、レーザ波長によって送信先を変更することが可能となり、ネットワーク効率的運用に効果がある。更に、レーザ活性層の温度変化によって発振波長を調整する方式の波長可変レーザは、ＤＢＲを用いた方式に比べて波長可変時の縦モードの安定性が高いことおよび、スペクトル線幅が細いことから長距離幹線系の光伝送に好適である。
【００３７】
更に、変調器集積レーザで素子設定温度を上昇させるためには、レーザの活性層と変調器の吸収層の波長差を、特別な関係で変更しなければ伝送特性、出力光波形特性を得ることができない。実際、変調器集積レーザでは変調器の出力波形を決められた基準に設定するためには、図６のレーザ部分のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓ量子井戸の動作温度での伝注入発光波長（レーザ発振前）は１．５５μｍ程度でありＩＴＵで定められた発振波長から５ｎｍほど短波長に設定した。変調器部の動作温度での発光波長は４０ｎｍ以上短波長になっており、１５１０ｎｍ以下に設定しなければならない。しかし、通常室温でＭＱＷの構成要素の組成等は室温で測定されることから素子作製時にはレーザ部分の温度特性と変調器部分の温度特性の違いを補正するために室温と動作温度のずれをΔＴとしたとき、レーザ部の室温での発振波長は変調器部のバンドギャップ波長よりもΔλ＝ΔＴ×（レーザ発振波長の温度変化係数（ｎｍ／℃）―変調器吸収層のバンドギャップ波長）だけさらに短波長にしなければならない。尚、前記変調器吸収層は量子井戸層で構成される。実際には素子設定温度を５０℃にするためにはかつ４０ｎｍのレーザ発振波長と変調器バンドギャップ波長の差が伝送特性、波形品質上適切な変調器の場合５７．５ｎｍだけ変調器のバンドギャップをレーザに対して短波長化しなければならない。
【００３８】
＜実施の形態１＞
図５は本発明にかかわる半導体レーザモジュール内部の上方から見た平面図、図６は、モジュール内部の横断面図である。
【００３９】
光変調器集積半導体レーザダイオード１は、例えば、ＡｌＮ製のサブマウント２上に搭載され、さらにこのサブマウント２は、キャリア３に半田で固定されている。このキャリア３はペルチェ・クーラ４上に搭載されて、金属製の収納ケース５内に収納されている。前記レーザ・キャリアは、一般説明における半導体レーザ素子の発光部を保持する部材に相当する。温度センサであるサーミスタ９はキャリア３に接触し、キャリアの温度をモニタしている。ＡｌＮ製サブマウントの厚さは０．２５４mmであり、熱伝導率は１．３W／ｃｍＫとなり、キャリアと素子との温度差は１℃以下にできる。よってサーミスタの示す温度はほぼ素子の温度と同一と考えてよい。
【００４０】
図５において、符号６はリードフレームで、電気信号の入力端子、符号７は、変調器信号入力用マイクロストリップラインである。
【００４１】
図７は、変調器集積レーザ素子の構造の斜視図である。
【００４２】
符号２１は変調器電界印加のためのｐ型電極であり、この電極の直下に光変調器を構成する光導波路が設けられる。符号２２は分布帰還型（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザの電流注入用ｐ電極であり、変調器と同様にこの直下にレーザを構成する光導波路がある。符号２７はこのＤＦＢレーザのグレーティングであり、レーザの縦モード（光導波路に平行な方向のモード）の単一モード安定性を図る。次に、このサブマウントの裏面にもグランド用電極が設けられていて、ＣｕＷ製のキャリアに固定されていると同時に接地されている。ＣｕＷ製のキャリアは、図５の符号３に示される。
【００４３】
図５の符号８はフォトダイオードであり、レーザチップの変調器１とは反対側から放射される光の強度をモニタすることによって、一定の光出力がレーザ部から出力するパワを一定に保つ制御を可能としている。符号１３はファイバ結合用非球面レンズ、１４はアイソレータ、１５はシングルモードファイバである。
【００４４】
図８は、図７の線分２４における素子の断面図である。従って、図８はレーザ光の進行方位と交差する面での断面図である。ｎ型のＩｎＰ基板２３上に、気相成長法でＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓで構成される多重量子井戸構造を持つ活性層領域３１、および上側光ガイド層３０を形成する。上側光ガイド層３０の厚さは、例えば１．７μｍである。更に、その上に０．２μｍ厚のＩｎＧａＡｓのコンタクト層を形成する。尚、このコンタクト層は図示が省略されている。
【００４５】
こうして形成した半導体層３０に、幅１．７μｍのストライプを深さ１．９μｍで形成し、導波路を構成する。この導波路を保護する保護膜２９を、例えばＳｉＯ２で形成する。ｐ-電極２２を形成するためにポリイミド樹脂で導波路ストライプ以外のところを平坦化する。その後、ｐ-電極２２を形成する。最後に、半導体基板の裏面にｎ型―電極３３を形成する。
【００４６】
このような高周波回路をもつキャリアは、ペルチェ・クーラー４上に搭載される。ペルチェ・クーラーは、図５に符号４として示される。このペルチェ・クーラー４は収納ケース５の底部に固定されている。このペルチェ・クーラー４のリード（９、１０）を介して所定の電流を供給すると、ペルチェ・クーラーの４の上側では熱の吸収が起こり、キャリア３上のサブマウント２および半導体レーザチップ１を冷却することができる。また、供給する電流の極性を反対にすることによって、熱を素子に加え素子温度を上昇させることができる。また、図５中の１はサーミスタであり抵抗によって、温度をモニターしレーザの駆動温度を設定した温度で一定に保つ。
【００４７】
図７の素子構造において、レーザ部と変調器部とは、周知の方法、即ち、選択成長技術によってバンドギャップ波長が変化させられている。量子井戸層３１におけるレーザ部の室温でのバンドギャップ波長は、１５５０ｎｍとし、一方、同じ量子井戸構造の変調器部分でのフォトルミネッセンス波長は１４８０ｎｍと設定された。そして、５０℃での発振波長は１５５２．５ｎｍであり、変調器部分のバンドギャップ波長は１５０５ｎｍであった。また、量子井戸の膜厚は、変調器部分で７ｎｍ、バリア層の膜厚は５ｎｍである。又、組成比は、量子井戸部分と障壁層部分でそれぞれ、Ｉｎ０．７Ａｌ０．０４９Ｇａ０．２５１ＡｓとＩｎ０．３５２Ａｌ０．１Ｇａ０．５４Ａｓとした。量子井戸層数は８である。これによって、しきい値電流１３ｍＡであり、１００ｍＡの注入電流での光出力１６ｍＷを４５℃素子設定温度の場合に得た。図９に本例の特性例を示す。横軸は注入電流、縦軸は光出力である。図での特性に、「２５−８５℃、２０℃ｓｔｅｐ」、あるいは「１００−４０℃、２０℃ｓｔｅｐ」と説明される曲線は、次の意味を示している。即ち、前者で括られた曲線群は、上側より、２５℃より２０℃のステップで、２５℃、４５℃、６５℃、及び８５℃での特性曲線を示している。後者も同様の考え方で説明されている。
【００４８】
本例のように、本願発明によれば、消費電力を従来の４．９Ｗから１．７Ｗまで低減することができた。また、ｎ型基板としてＧａＡｓを用い、また量子井戸層として、ＩｎＧａＮＡｓ/ＩｎＧａＮＡｓ多重量子井戸構造を図６の３１の層に用いても、同様なモジュールの消費電力低減の効果は得られる。
【００４９】
＜実施の形態２＞
本例は、複数の発光部を有するレーザ部、変調素子部分、及び合波器が一つの基板に集積化された例である。
【００５０】
図１０には、同一基板１２０上に複数の分布帰還型レーザ素子部分５１と変調素子部分５２が合波器５３で結合されている場合の実施例を示す。本願に係わる部分以外の各部の基本構成は、通例の構成で十分である。尚、符号１４０はレーザ部の電極、１２７は変調器部の電極、１２６は温度制御の為の手段、具体的にはヒータである。
【００５１】
この例では、４つのレーザ発振部を有し、その各々の発振波長は３．２ｎｍ間隔で配置される。そして、これらの発振波長のより精度の高い制御は、レーザ活性層領域の温度をコントロールすることによって行う。そのため、レーザが１つの場合と同じように、モジュールの消費電力を低減するために活性層にＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓの多重量子井戸構造を用いることによって、素子設定温度を上昇させることができる。
【００５２】
図１１に素子の断面図を示す。一つの基板１３０に、ＤＦＢレーザ部５１、合波器部５２、変調器部５３が搭載されている。符号１３１は基板と反対側の半導体層である。レーザ部５１と変調器５３の多重量子井戸構造とバンドギャップ波長等は、実施の形態１と同じである。しかし、合波器５２は、光導波路部分のコアはＩｎＧａＡｓPで構成され、この室温でのバンドギャップ波長は１．２μmとした。合波器のクラッド層即ち、コアの上下の層は、ＩｎＰから構成されている。本例では、波長可変幅は１５ｎmで、消費電力１．５Wの素子を実現することができる。
【００５３】
＜実施の形態３＞
本例は、積極的な波長可変手段を有する半導体レーザ装置に本願発明を適用した例である。上記２つの実施例と異なり、本例は、レーザ部にヒータを用いて、レーザ部を局所的に加熱することによって変長器部の温度を素子設定温度に保ちつことが出来るようにした波長可変レーザモジュールの低消費電力化をはかった実施例である。
【００５４】
図１２は、本例を示す斜視図である。所定の半導体基板１２０に、半導体諸素子部を形成する為の半導体層領域１２１を介して、平坦化および電極容量の削減のためのポリイミド層１０２が形成される。符号１３０、及び１３１は、各々、レーザ素子部で、符号１３２、１３３は、各々、レーザ部の一方の電極を示す。そして、この例では、レーザ部１３０、１３１に隣接して、温度可変手段、例えば、ヒータ部６１が設けられている。レーザ部１３０及び１３１からのレーザ光は、光導波路１２８によって変調器部１２５に入力出来るように構成されている。そして、その変調器部１２５は、隣接して温度可変手段、例えば、ヒータ１２６が設けられている。尚、符号１２７は一方の電極である。
【００５５】
本例は、レーザ部分の温度を、図１２のヒータ６１で行うことによって、発振波長を変化させると同時に、変調器の活性層領域（吸収層）の温度を一定に保つことによって、出力光波形の形をおよび長距離伝送特性等を最適条件に保つことができる。このときにも素子設定温度すなわち変調器活性層（吸収層）温度を高くすることによって、モジュール消費電力を低減することができる。実際、実施例とおなじように、ＤＦＢ型レーザ部の量子井戸構造を有する活性層領域と変調器の量子井戸吸収層の材用を、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓによって構成される多重量子井戸構造あるいはＩｎＧａＮＡｓ／ＩｎＧａＮＡｓによって構成される多重量子井戸構造にすることによって、高温でも高信頼かつ高出力の変長器集積レーザを実現することができる。この時、レーザ部のレーザ発振波長と変調器部のバンドギャップ波長との波長差を、室温においては、実施例１と同様に大きくすることは当然である。
【００５６】
この時、波長を精度高く制御するために、図１３に示すようなフィードバック機構を導入する。図１３は、その基本構成を示す図である。ペルチエ・クーラ８３上に、レーザ部８１及び変調器部８２が搭載されている。レーザ部８１は複数個設けられ、各レーザ部８１は、その近傍に温度可変手段、例えば、ヒータ８０が設けられ、波長可変レーザ７１を構成している。
【００５７】
本例では、変調器８２から光信号８４が射出されるが、この光の波長を監視する波長モニタ７２が配される。この波長モニタ７２は、波長変化を電圧変化に変換する波長モニタである。波長モニタ７２の信号に基づき、レーザ部８１、ヒータ部８０、及びペルチエ・クーラ８３を制御する。こうした波長モニタは、波長依存性を持つエタロンなどのフィルタと受光素子を組み合わせることによって構成される。即ち、信号光８４を一部分岐して、波長モニタ７２に導く。この光は透過率が波長によって異なるエタロンフィルタを透過して、受光素子に入射する。こうすることによって、受光素子に入射する光強度と波長との間に対応関係をつけることができ、受光強度によって波長をモニタすることが出来る。
【００５８】
実際には、所望の波長の光がレーザから出力されたなら、波長モニタからの出力が０となるように設計されている。実際には要求された光波長を４つに分類できるテーブルを７３の制御系の中のメモリに記憶させておき、特定のレーザに電流を流し発振させる。次に波長の微調整を行うために動作しているレーザの近傍に配置されたヒータに電流をながして波長モニタの出力が０になるまでヒータの電力を増やしつづける。この時、素子のレーザ部以外の領域の温度を一定に保つように図５のサーミスタ９の出力が素子温度設定値と一致するようにペルチェー・クーラーの電流を増加させる。この２つの制御は１つのデジタルＩＣを用いで行うことも可能であり、またアナログ回路を組み合わせても可能である。
【００５９】
又、この実施例ではレーザ近傍にヒータを配置したが変長器近傍にヒータを配置し、変長器の温度をヒータとペルチェクーラで一定に保ち、レーザ部の温度をペルチェクーラで保つこのによっても波長可変レーザを実現することができる。
【００６０】
これまで説明してきた本願発明の諸形態の代表的な例を列挙すれば、次の通りである。
【００６１】
その第１は、光通信用変調器集積半導体レーザの活性層にＩｎとＧａとＡｌとＡｓの４元混晶が含まれた多重量子井戸から構成されており、その半導体レーザチップもしくは上記チップに熱的に接触したレーザを保持する部品上の温度がレーザおよび変調器の動作時に３５℃以上である変調器集積レーザを含む光通信用モジュールである。
【００６２】
その第２は、光通信用変調器集積半導体レーザの活性層にＩｎとＧａとＮとＡｓの４元混晶が含まれた多重量子井戸から構成されており、その半導体レーザチップもしくは上記チップに熱的に接触したレーザを保持する部品上の温度がレーザおよび変調器の動作時に３５℃以上である変調器集積レーザを含む光通信用モジュールである。
【００６３】
その第３は、光通信用変調器集積半導体レーザの活性層にＩｎとＧａとＡｌとＡｓの４元混晶あるいはＩｎとＧａとＮとＡｓの４元混晶が含まれた多重量子井戸から構成されており、レーザ活性層の近傍もしくは光変調器吸収層の近傍あるいはその両方の近傍に当該活性層および吸収層に熱を加えるためのヒータを形成し、かつ、モジュール動作時の活性層の最高温度が３５℃以上であることを特徴とした光通信用モジュールである。
【００６４】
その第４は、光通信用変調器集積半導体レーザの活性層にＩｎとＧａとＡｌとＡｓの４元混晶あるいはＩｎとＧａとＮとＡｓの４元混晶が含まれた多重量子井戸から構成されており、モジュール内に複数の変調器集積素子と出力光信号の合波器を含み、かつモジュール動作時の活性層の最高温度が３５℃以上であることを特徴とした光通信モジュールである。
【００６５】
その第５は、光通信用変調器集積半導体レーザの活性層にＩｎとＧａとＡｌとＡｓの４元混晶あるいはＩｎとＧａとＮとＡｓの４元混晶が含まれた多重量子井戸から構成されており、同一基板上にレーザを構成する光導波路、複数本とレーザ出力光を合波する為の合波器と光変調器を含み、かつモジュール動作時の活性層の最高温度が３５℃以上であることを特徴とした光通信モジュールである。
【００６６】
以上、詳細に説明したように、本願発明によれば、変調器集積型レーザモジュールのモジュール消費電力の低減特にペルチェ・クーラの消費電力を低減することができる。又、波長可変変調器集積レーザモジュールにおいて、広い波長可変巾とモジュール低消費電力化を同時に実現することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１：変調器集積型レーザダイオード、２：ＡｌＮサブマウント、３：ＣｕＷキャリア、４：ペルチェ・クーラ、５：モジュールケース、６： 電気信号入力端子、７： 変調器信号入力用マイクロストリップライン、９：温度モニタ用サーミスタ、１０：ボンディングワイヤ ペルチェクーラ、１１： ボンディングワイヤ ペルチェクーラ、１２：サブマウント上のマイクロストリップライン、１３：ファイバ結合用レンズ、１４：アイソレータ、１５：光出力用ファイバ、２１：変調器集積光源の変調器部分（電極）、２２： 変調器集積光源のＤＦＢレーザ部分（電極）、２３：Ｎ型ＩｎP基板、２４：断面図切断位置、２７：分布帰還用（ＤＦＢ）グレーティング、２８：平坦化用ポリイミド樹脂、３８：変調器電極、２９：二酸化シリコン保護膜、３０：上部ガイド層、３１：ＩｎＧａＡｌＡｓ/ＩｎＧａＡｌＡｓ多重量子井戸層、３３：ｎ-型電極、５１：ＤＦＢレーザ部分（４本アレイを図示する）、５２：電界吸収型変調器部分、５３：合波器部分、６１：レーザ活性層加熱用ヒータ、７１：変調器レーザアレイ集積素子（レーザ４チャンネル）、７２：発振波長モニタ、７３：制御系。
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、半導体レーザ素子部と変調器とを有する光モジュールに関するものである。本願発明の光モジュールは、温度コントロールされた、例えば、電界吸収型光変調器集積レーザを含む光送信モジュールに適用して極めて有用である。光ファイバ通信において電気信号を光信号に変換する
【背景技術】
【０００２】
従来、光通信用の変調器集積型半導体レーザ（以下、変調器集積レーザと記す）では、半導体レーザにおいて、レーザの発振波長、光出力パワ、および変調器の消光カーブの形状、チャーピング特性を環境温度の変化等が変化しても長期間、安定に保つために変調器集積レーザの素子温度を一定に保つ必要があった。
【０００３】
例えば、従来の変調器集積型レーザでは、レーザ活性層および変調器吸収層にＩｎＧａＡｓＰ（インジウム・ガリウム・砒素・燐）からなる多重量子井戸(ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ)から構成されている。従って、バンド構造の特徴から高温での光出力の低下が問題となると同時に、波長の長期安定性に問題が発生する。この為、これまで、半導体レーザ素子は、３０℃以下に設定して素子温度を一定に保ちつつ、光信号を送信していた。
【０００４】
又、最近、光ネットワークおよび送信モジュールの効率的運用を目的として、波長可変機能を持った光変調器集積レーザが知られている。例えば、文献(１)日本公開特許公報、特開平４―７２７８３号あるいは、最近の文献では文献(２)ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ． Ｖｏｌｕｍｅ １２、Ｎｏ．３、ｐ．２４２に見られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】日本公開特許公報、特開平４―７２７８３号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ． Ｖｏｌｕｍｅ １２、Ｎｏ．３、ｐ．２４２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
いま、こうした変調器集積素子を含む光送信モジュールは、そのケースの外壁の温度が高温（例えば７５℃）になることを想定して製作さればならない。しかし、図１に示すように、変調器集積素子の温度とモジュールのケース温度の差が大きくなるに従って、ペルチェ・クーラの消費電力が急激に消費電力が増大してしまうことが分かる。図１は半導体レーザ装置のケース温度と素子温度の差と、ペルチェ・クーラの消費電力との関係の例を示す図である。
【０００８】
更に、その他のレーザ駆動用の消費電力は、０．２Ｗ程度であるから、モジュール全体の消費電極が急激に増大することになる。
【０００９】
しかし、レーザ活性層領域にＩｎＧａＡｓＰから構成された多重量子井戸構造を用いると、（１）光出力が低減すること、および、（２）発振波長の長期安定性が保持されないために、変調器集積レーザの設定温度は３０℃以下に設定しなければならなかった。一方、半導体レーザ装置内の平均温度は、通常４０℃程度以上である。従って、素子に対する設定温度を上昇させることは、ケース温度と素子温度との差を低減することになる。このことは、モジュール動作時の消費電力を低減できることを意味する。また、当該モジュールを組み込んだ光送信ボードあるいは光伝送装置の小型化を図る為には、発熱元となる本モジュールや他の駆動用ＩＣを接近させて配置させなければならず、チップの周囲の温度はさらに上昇する要因を有することになる。
【００１０】
従来のレーザ活性層にＩｎＧａＡｓＰを用いた変調器集積半導体レーザでは、上記２つの問題点のために設定温度を上昇させてモジュール消費電力を低減することができなかった。
【００１１】
前述の波長可変機能を持った光変調器集積レーザに対しては、波長可変を行うためにレーザ部分の温度をコントロールして波長を制御する方法が有力である。前記文献(２)の場合には、レーザ部分だけでなく素子全体の温度コントロールを行っている。この方法はレーザの活性層付近の温度を変化させることによって、分布帰還型レーザの発振波長を変化させる方法である。しかし、上記のように高温での出力レベルおよび長期にわたる発振波長の安定性に問題があり、最も長波長の光を得る動作条件として３０℃以下の素子温度しか許されない。このため波長可変幅を大きくするためには素子温度を低温にしなければならない。このため、当該モジュールの外壁ケース温度との差が大きくなりモジュール消費電力が増大するという問題があった。また、光変調器には光デジタル信号を長距離伝送するのに適した光波長は温度によって変化し、その変化率は０．８ｎｍ／℃であるのに対し、上記レーザ発振波長の温度に対する変化率は０．１ｎｍ／℃である。このため、レーザと変調器を同じ温度のまま波長変化を得るために、素子全体の温度を変化させると、光変調器の最適動作波長からどんどんずれて行ってしまう。
【００１２】
これを防ぐために変調器の温度をレーザ部の温度と独立に制御しなければならない。素子のほとんどの部分の温度をペルチェ素子（電子温度調節素子、電子冷却（及び加熱）素子）によって制御し、レーザ活性層近傍の温度を素子上に装荷されたヒータによって制御する場合、装荷したヒータに電流を流さない場合のレーザ活性層温度が低い方が、レーザ発振波長を長波長化した場合のレーザ発振波長が最も短波長に設定されたときのレーザ部温度を十分低く設定しなければ、長波長に波長を変化させたときの光出力の劣化を最小限にとどめたまま、大きな波長可変幅を確保することができなくなる。このようにＩｎＧａＡｓＰのＭＱＷから構成されたレーザでは、高温時の出力低下が問題となるため素子の最低設定温度を低くしなければならないが、このために光送信モジュールのケース温度が高くなると消費電力が大きくなるという問題は、最低温度が室温より低い場合が多く、上記波長可変機能の無い通常の光送信モジュールの場合よりも深刻である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願発明の基本的形態は、半導体レーザ発光部と、当該半導体レーザ発光部よりの光を変調する光変調部と、少なくとも前記光変調部を温度制御する温度制御手段と、を少なくとも有し、且つ、前記半導体レーザ発光部は活性層領域が、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、及びＡｓの４元混晶およびＩｎ、Ｇａ、Ｎ、及びＡｓの４元混晶の群より選ばれた少なくとも二つの４元混晶の層を有する多重量子井戸構造を有し、少なくとも前記変調器部の動作時の温度が摂氏３０度以上として温度設定が可能なことを特徴とする光モジュールである。前記変調器と半導体レーザ素子を有する場合、その温度設定は、半導体レーザ素子の発光部及びこの半導体レーザ素子に熱的に接触した半導体レーザ素子の発光部を保持する部材の温度を前記摂氏３０度以上として温度設定が可能な形態が多用される。前記半導体レーザ素子の発光部、具体的にはその活性層領域が、温度制御には重要な領域である。
【００１４】
本願発明においては、半導体レーザ発光部は活性層領域が、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、及びＡｓの４元混晶系あるいはＩｎ、Ｇａ、Ｎ、及びＡｓの４元混晶系の群より選ばれた４元混晶の層で多重量子井戸構造を構成することが重要である。Ａｌを含有する４元系化合物半導体材料を用いることによって、高温雰囲気における光出力特性を確保することが可能となる。あるいは、Ｎ含有の化合物半導体材料でも、類似のことが言える。
【００１５】
Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、及びＡｓの４元系化合物半導体材料を用いることによって、伝導帯のバンドオフセットの値が、価電子帯のバンドオフセットの値より大きくすることが可能となる。従って、高温での注入電流のオバーフローが減少する。こうして、本願発明では、高温での光出力の低減が抑えられるのである。このように、本願発明では、伝導帯のバンドオフセットの値が、価電子帯のバンドオフセットの値より大きくすることが、極めて重要である。
【００１６】
この為、前記量子井戸構造の構成する化合物半導体材料として、他の化合物半導体材料を用いた場合、所定光出力を得る為に、光変調器部を冷却する必要を、極めて軽減することが出来る。即ち、変調器部を摂氏３０度以上の温度に設定できるからである。
【００１７】
更には、本願発明においては、通例、半導体素子部に対して用いている前記の温度制御手段、例えば、ペルチエ素子などは不要とすることが出来る。勿論、本願発明の趣旨を、通例の前記温度制御手段を用いても実施することができる。この場合も、設定温度を、通例より高温、例えば、摂氏３１度、３２度、３３度、あるいは３４度といったように設定できるので、その消費電力を極めて低減することが出来る。尚、本願明細書において、「冷却手段を有せず」との意図は、こうした強制的な冷却手段、電力消費を伴う冷却手段、具体的には電力消費を伴う素子、例えば、ペルチエ素子を有せずとの意図である。従って、例えば、構造上の工夫に伴う冷却手段等を排除するものではない。
【００１８】
更には、少なくとも、前記本光モジュールの動作時の温度が、摂氏３５度以上として温度設定することが可能である。この場合、ますます、その消費電力を極めて低減することが出来る。勿論、この場合も、本願発明の趣旨を、通例の前記温度制御手段を用いて実施することができる。この場合も、設定温度を、通例より高温に設定できるので、その消費電力を極めて低減することが出来る。
【００１９】
これまで、半導体レーザ装置、わけても光変調器を搭載した半導体発光装置において、こうした高温での動作が可能なことは、考えられもしなかったのである。本願発明が、初めてこのことを実現したものである。
【００２０】
ＩｎＧａＡｌＡｓ系の化合物半導体、ＩｎＧａＮＡｓ系の化合物半導体を用いての前記量子井戸構造の構成は、通例の方法に従ってよい。
【００２１】
本願発明の発明思想は、多点発光の半導体レーザ装置、複数の発振波長を有する半導体レーザ装置、半導体レーザ部と光変調部とを有する半導体発光装置などに有用である。例えば、ＤＷＤＭの所定波長に対応する発光部が、複数、即ちマルチチップとして構成することが出来る。又、半導体レーザ部が、波長の異なる複数の発振を有する場合、本願発明は極めて有用である。
【００２２】
わけても、本願発明は、変調器が集積された半導体レーザ装置に有用である。この場合、複数の発光部を有し、これらの光を合波器にて合波し、光変調器で光の変調を行う形態の半導体発光装置が、その代表的形態である。
【００２３】
本願発明は、前記半導体レーザ素子部及び前記光変調部、あるいは合波器など、半導体発光装置を構成する諸部分の各々が別体の半導体素子部として構成された形態、あるいは、これら諸部分が、同一の基板に集積された半導体素子として構成された形態をも取り得る。
【００２４】
前記変調器としては、通例の電界吸収型光変調器が有用である。
【００２５】
本願発明の最も代表的な例では、半導体レーザ部の活性層領域の近傍には、温度制御手段、例えばヒータが設けられ、その発振波長の制御が可能となっている。更に、こうした例では、多くの場合、光変調器部の光変調吸収層の近傍に、温度制御手段、例えばヒータが設けられている。
【発明の効果】
【００２６】
本願発明によれば、高温動作時においても、発振波長の安定性を確保しつつ、低消費電力なる光モジュールを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、素子温度とモジュールケース温度の差と、消費電力との関係を例示する図である。
【図２】図２は、ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸のバンドダイヤグラムである。
【図３】図３は、ＩｎＧａＡｌＡｓ多重量子井戸のバンドダイヤグラムである。
【図４】図４は、光出力とレーザ活性層領域の温度との関係を示す図である。
【図５】図５は、モジュールの上面図である。
【図６】図６は、モジュールの断面図である。
【図７】図７は、変調器を集積したレーザ素子の斜視図である。
【図８】図８は、変調器を集積したレーザ素子の光の進行方向と交差する面での断面図である。
【図９】図９は、本願発明を適用した、変調器を集積したレーザ装置の電流・光出力の関係を示す図である。
【図１０】図１０は、多点発光のレーザ素子を集積した素子の斜視図である。
【図１１】図１１は、多点発光のレーザ素子を集積した素子の断面図である。
【図１２】図１２は、変調器近傍にヒータを装着した波長可変レーザの斜視図である。
【図１３】図１３は、波長制御を行う為の機構の例を示すループ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本願発明の具体的の例を説明するに先立って、本願発明に係わる技術的詳細を説明する。更には、従来技術との比較も例示する。
【００２９】
本願発明の代表例では、光出力を維持するとともに、高温での発振波長安定性を確保した状態でモジュールの消費電力を低減するためにレーザ活性層として伝導帯のバンドオフセットを１００ｍｅＶ以上としたＩｎＧａＡｌＡｓを用いて構成されたＭＱＷを採用する。こうした、バンドオフセットを用いることによって、本願発明はより効果的である。
【００３０】
図２はＩｎＧａＡｓＰのＭＱＷのバンド構造を模式的に示す図である。このＭＱＷの例は、ＩｎＧａＡｓＰの井戸層１０２とＩｎＧａＡｓＰの障壁層１０３で構成される。符号１００は伝導帯の下端、符号１０１は価電子帯の上端を示している。符号１０４は電子、１０５は正孔を示す。正孔１０７は各井戸層に不均一に注入されている。図２に示すように、ＩｎＧａＡｓＰのＭＱＷでは、通常伝導帯のバンドオフセットは価電子帯のバンドオフセットと同程度かこれより小さい。
【００３１】
しかし、適切な歪のＩｎＧａＡｌＡｓ―ＭＱＷでは、図３に示すように伝導帯のバンドオフセットが価電子帯のバンドオフセットよりも大きくなる。図３は、ＩｎＧａＡｌＡｓのＭＱＷのバンド構造を模式的に示す図である。このＭＱＷの例は、ＩｎＧａＡｌＡｓの井戸層１１２とＩｎＧａＡｌＡｓの障壁層１１３で構成される。符号１１０は伝導帯の下端、符号１１１は価電子帯の上端を示している。符号１１４は電子、１１５は正孔を示す。
【００３２】
こうした構成よって、高温での注入電流のオーバーフローが減少し、高温での光出力の低減を抑圧できる。
【００３３】
これと同時に、図２のＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷでは、高温でのキャリアのオーバーフローが顕著になるため、光出力を一定に保つ制御をかけた状態で動作させている場合、結晶の劣化による光出力低下を補うためにキャリアのオーバフロー分だけ電流注入大きくしなければならない。言い換えれば、伝導帯のバンドオフセットが小さい場合、スロープ効率が電流注入レベルが高いときに低下し、余分な電流注入増加をもたらす。これによって、伝導帯オフセットが小さい従来のＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷを用いた変調器集積レーザの場合には、ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷを用いた変調器集積レーザに比べて発振波長の長波長化が大きく、発振波長の長期安定性が高温動作の場合に保てない。
【００３４】
図４は、レーザ素子の温度と光出力の関係を例示する図である。曲線２００はＩｎＧａＡｌＡｓを用いた半導体レーザ装置、曲線２０１はＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷを用いた変調器集積レーザの例を示す。実際、図４に示すように、本願発明においては、レーザ活性層が高温になっても出力パワの低下は小さい。これによってモジュール動作時の素子および素子周囲温度をより高温まで上昇させることができる。但し、「モジュール動作時」とは、レーザから光信号が送信されており、所望の距離のファイバ伝送後に、十分なアイ開口が得られている状態のことである。従って、この状態は、レーザ、変調器、温度調整機構、および波長調整機構が通電されて設計どおりの動作を行っている状態をさす。また、「素子の周囲温度」とは、素子を温度制御するためのペルチェ等の温度調整素子と素子の間にある素子を物理的に保持する部分の温度をしめす。実際には、図５及び図６で示すように、素子を保持するキャリア上に接触したサーミスタの示す温度を素子温度とする。実際に光送信モジュールが設置される光送信装置は４０〜５０℃以上となる場合が多い。尚、図５及び図６の詳細は後述される。
【００３５】
レーザ活性層として、この材料を用いた場合には、光送信モジュールの平均消費電力を最小に抑えるために、光送信モジュールのケース温度の平均値付近に変調器集積素子の温度を保つ必要がある。
【００３６】
又、高密度波長多重（ＤＷＤＭ：Ｄｅｎｓｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）伝送を行うためのレーザモジュールは、一つのレーザモジュールが多くのチャネルの波長に対応することができれば、故障時のバックアップ光源を削減することができる。従って、この形態は、伝送装置コスト制限するとともに、レーザ波長によって送信先を変更することが可能となり、ネットワーク効率的運用に効果がある。更に、レーザ活性層の温度変化によって発振波長を調整する方式の波長可変レーザは、ＤＢＲを用いた方式に比べて波長可変時の縦モードの安定性が高いことおよび、スペクトル線幅が細いことから長距離幹線系の光伝送に好適である。
【００３７】
更に、変調器集積レーザで素子設定温度を上昇させるためには、レーザの活性層と変調器の吸収層の波長差を、特別な関係で変更しなければ伝送特性、出力光波形特性を得ることができない。実際、変調器集積レーザでは変調器の出力波形を決められた基準に設定するためには、図６のレーザ部分のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓ量子井戸の動作温度での伝注入発光波長（レーザ発振前）は１．５５μｍ程度でありＩＴＵで定められた発振波長から５ｎｍほど短波長に設定した。変調器部の動作温度での発光波長は４０ｎｍ以上短波長になっており、１５１０ｎｍ以下に設定しなければならない。しかし、通常室温でＭＱＷの構成要素の組成等は室温で測定されることから素子作製時にはレーザ部分の温度特性と変調器部分の温度特性の違いを補正するために室温と動作温度のずれをΔＴとしたとき、レーザ部の室温での発振波長は変調器部のバンドギャップ波長よりもΔλ＝ΔＴ×（レーザ発振波長の温度変化係数（ｎｍ／℃）―変調器吸収層のバンドギャップ波長）だけさらに短波長にしなければならない。尚、前記変調器吸収層は量子井戸層で構成される。実際には素子設定温度を５０℃にするためにはかつ４０ｎｍのレーザ発振波長と変調器バンドギャップ波長の差が伝送特性、波形品質上適切な変調器の場合５７．５ｎｍだけ変調器のバンドギャップをレーザに対して短波長化しなければならない。
【００３８】
＜実施の形態１＞
図５は本発明にかかわる半導体レーザモジュール内部の上方から見た平面図、図６は、モジュール内部の横断面図である。
【００３９】
光変調器集積半導体レーザダイオード１は、例えば、ＡｌＮ製のサブマウント２上に搭載され、さらにこのサブマウント２は、キャリア３に半田で固定されている。このキャリア３はペルチェ・クーラ４上に搭載されて、金属製の収納ケース５内に収納されている。前記レーザ・キャリアは、一般説明における半導体レーザ素子の発光部を保持する部材に相当する。温度センサであるサーミスタ９はキャリア３に接触し、キャリアの温度をモニタしている。ＡｌＮ製サブマウントの厚さは０．２５４mmであり、熱伝導率は１．３W／ｃｍＫとなり、キャリアと素子との温度差は１℃以下にできる。よってサーミスタの示す温度はほぼ素子の温度と同一と考えてよい。
【００４０】
図５において、符号６はリードフレームで、電気信号の入力端子、符号７は、変調器信号入力用マイクロストリップラインである。
【００４１】
図７は、変調器集積レーザ素子の構造の斜視図である。
【００４２】
符号２１は変調器電界印加のためのｐ型電極であり、この電極の直下に光変調器を構成する光導波路が設けられる。符号２２は分布帰還型（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザの電流注入用ｐ電極であり、変調器と同様にこの直下にレーザを構成する光導波路がある。符号２７はこのＤＦＢレーザのグレーティングであり、レーザの縦モード（光導波路に平行な方向のモード）の単一モード安定性を図る。次に、このサブマウントの裏面にもグランド用電極が設けられていて、ＣｕＷ製のキャリアに固定されていると同時に接地されている。ＣｕＷ製のキャリアは、図５の符号３に示される。
【００４３】
図５の符号８はフォトダイオードであり、レーザチップの変調器１とは反対側から放射される光の強度をモニタすることによって、一定の光出力がレーザ部から出力するパワを一定に保つ制御を可能としている。符号１３はファイバ結合用非球面レンズ、１４はアイソレータ、１５はシングルモードファイバである。
【００４４】
図８は、図７の線分２４における素子の断面図である。従って、図８はレーザ光の進行方位と交差する面での断面図である。ｎ型のＩｎＰ基板２３上に、気相成長法でＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓで構成される多重量子井戸構造を持つ活性層領域３１、および上側光ガイド層３０を形成する。上側光ガイド層３０の厚さは、例えば１．７μｍである。更に、その上に０．２μｍ厚のＩｎＧａＡｓのコンタクト層を形成する。尚、このコンタクト層は図示が省略されている。
【００４５】
こうして形成した半導体層３０に、幅１．７μｍのストライプを深さ１．９μｍで形成し、導波路を構成する。この導波路を保護する保護膜２９を、例えばＳｉＯ２で形成する。ｐ-電極２２を形成するためにポリイミド樹脂で導波路ストライプ以外のところを平坦化する。その後、ｐ-電極２２を形成する。最後に、半導体基板の裏面にｎ型―電極３３を形成する。
【００４６】
このような高周波回路をもつキャリアは、ペルチェ・クーラー４上に搭載される。ペルチェ・クーラーは、図５に符号４として示される。このペルチェ・クーラー４は収納ケース５の底部に固定されている。このペルチェ・クーラー４のリード（９、１０）を介して所定の電流を供給すると、ペルチェ・クーラーの４の上側では熱の吸収が起こり、キャリア３上のサブマウント２および半導体レーザチップ１を冷却することができる。また、供給する電流の極性を反対にすることによって、熱を素子に加え素子温度を上昇させることができる。また、図５中の１はサーミスタであり抵抗によって、温度をモニターしレーザの駆動温度を設定した温度で一定に保つ。
【００４７】
図７の素子構造において、レーザ部と変調器部とは、周知の方法、即ち、選択成長技術によってバンドギャップ波長が変化させられている。量子井戸層３１におけるレーザ部の室温でのバンドギャップ波長は、１５５０ｎｍとし、一方、同じ量子井戸構造の変調器部分でのフォトルミネッセンス波長は１４８０ｎｍと設定された。そして、５０℃での発振波長は１５５２．５ｎｍであり、変調器部分のバンドギャップ波長は１５０５ｎｍであった。また、量子井戸の膜厚は、変調器部分で７ｎｍ、バリア層の膜厚は５ｎｍである。又、組成比は、量子井戸部分と障壁層部分でそれぞれ、Ｉｎ０．７Ａｌ０．０４９Ｇａ０．２５１ＡｓとＩｎ０．３５２Ａｌ０．１Ｇａ０．５４Ａｓとした。量子井戸層数は８である。これによって、しきい値電流１３ｍＡであり、１００ｍＡの注入電流での光出力１６ｍＷを４５℃素子設定温度の場合に得た。図９に本例の特性例を示す。横軸は注入電流、縦軸は光出力である。図での特性に、「２５−８５℃、２０℃ｓｔｅｐ」、あるいは「１００−４０℃、２０℃ｓｔｅｐ」と説明される曲線は、次の意味を示している。即ち、前者で括られた曲線群は、上側より、２５℃より２０℃のステップで、２５℃、４５℃、６５℃、及び８５℃での特性曲線を示している。後者も同様の考え方で説明されている。
【００４８】
本例のように、本願発明によれば、消費電力を従来の４．９Ｗから１．７Ｗまで低減することができた。また、ｎ型基板としてＧａＡｓを用い、また量子井戸層として、ＩｎＧａＮＡｓ/ＩｎＧａＮＡｓ多重量子井戸構造を図６の３１の層に用いても、同様なモジュールの消費電力低減の効果は得られる。
【００４９】
＜実施の形態２＞
本例は、複数の発光部を有するレーザ部、変調素子部分、及び合波器が一つの基板に集積化された例である。
【００５０】
図１０には、同一基板１２０上に複数の分布帰還型レーザ素子部分５１と変調素子部分５２が合波器５３で結合されている場合の実施例を示す。本願に係わる部分以外の各部の基本構成は、通例の構成で十分である。尚、符号１４０はレーザ部の電極、１２７は変調器部の電極、１２６は温度制御の為の手段、具体的にはヒータである。
【００５１】
この例では、４つのレーザ発振部を有し、その各々の発振波長は３．２ｎｍ間隔で配置される。そして、これらの発振波長のより精度の高い制御は、レーザ活性層領域の温度をコントロールすることによって行う。そのため、レーザが１つの場合と同じように、モジュールの消費電力を低減するために活性層にＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓの多重量子井戸構造を用いることによって、素子設定温度を上昇させることができる。
【００５２】
図１１に素子の断面図を示す。一つの基板１３０に、ＤＦＢレーザ部５１、合波器部５２、変調器部５３が搭載されている。符号１３１は基板と反対側の半導体層である。レーザ部５１と変調器５３の多重量子井戸構造とバンドギャップ波長等は、実施の形態１と同じである。しかし、合波器５２は、光導波路部分のコアはＩｎＧａＡｓPで構成され、この室温でのバンドギャップ波長は１．２μmとした。合波器のクラッド層即ち、コアの上下の層は、ＩｎＰから構成されている。本例では、波長可変幅は１５ｎmで、消費電力１．５Wの素子を実現することができる。
【００５３】
＜実施の形態３＞
本例は、積極的な波長可変手段を有する半導体レーザ装置に本願発明を適用した例である。上記２つの実施例と異なり、本例は、レーザ部にヒータを用いて、レーザ部を局所的に加熱することによって変長器部の温度を素子設定温度に保ちつことが出来るようにした波長可変レーザモジュールの低消費電力化をはかった実施例である。
【００５４】
図１２は、本例を示す斜視図である。所定の半導体基板１２０に、半導体諸素子部を形成する為の半導体層領域１２１を介して、平坦化および電極容量の削減のためのポリイミド層１０２が形成される。符号１３０、及び１３１は、各々、レーザ素子部で、符号１３２、１３３は、各々、レーザ部の一方の電極を示す。そして、この例では、レーザ部１３０、１３１に隣接して、温度可変手段、例えば、ヒータ部６１が設けられている。レーザ部１３０及び１３１からのレーザ光は、光導波路１２８によって変調器部１２５に入力出来るように構成されている。そして、その変調器部１２５は、隣接して温度可変手段、例えば、ヒータ１２６が設けられている。尚、符号１２７は一方の電極である。
【００５５】
本例は、レーザ部分の温度を、図１２のヒータ６１で行うことによって、発振波長を変化させると同時に、変調器の活性層領域（吸収層）の温度を一定に保つことによって、出力光波形の形をおよび長距離伝送特性等を最適条件に保つことができる。このときにも素子設定温度すなわち変調器活性層（吸収層）温度を高くすることによって、モジュール消費電力を低減することができる。実際、実施例とおなじように、ＤＦＢ型レーザ部の量子井戸構造を有する活性層領域と変調器の量子井戸吸収層の材用を、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓによって構成される多重量子井戸構造あるいはＩｎＧａＮＡｓ／ＩｎＧａＮＡｓによって構成される多重量子井戸構造にすることによって、高温でも高信頼かつ高出力の変長器集積レーザを実現することができる。この時、レーザ部のレーザ発振波長と変調器部のバンドギャップ波長との波長差を、室温においては、実施例１と同様に大きくすることは当然である。
【００５６】
この時、波長を精度高く制御するために、図１３に示すようなフィードバック機構を導入する。図１３は、その基本構成を示す図である。ペルチエ・クーラ８３上に、レーザ部８１及び変調器部８２が搭載されている。レーザ部８１は複数個設けられ、各レーザ部８１は、その近傍に温度可変手段、例えば、ヒータ８０が設けられ、波長可変レーザ７１を構成している。
【００５７】
本例では、変調器８２から光信号８４が射出されるが、この光の波長を監視する波長モニタ７２が配される。この波長モニタ７２は、波長変化を電圧変化に変換する波長モニタである。波長モニタ７２の信号に基づき、レーザ部８１、ヒータ部８０、及びペルチエ・クーラ８３を制御する。こうした波長モニタは、波長依存性を持つエタロンなどのフィルタと受光素子を組み合わせることによって構成される。即ち、信号光８４を一部分岐して、波長モニタ７２に導く。この光は透過率が波長によって異なるエタロンフィルタを透過して、受光素子に入射する。こうすることによって、受光素子に入射する光強度と波長との間に対応関係をつけることができ、受光強度によって波長をモニタすることが出来る。
【００５８】
実際には、所望の波長の光がレーザから出力されたなら、波長モニタからの出力が０となるように設計されている。実際には要求された光波長を４つに分類できるテーブルを７３の制御系の中のメモリに記憶させておき、特定のレーザに電流を流し発振させる。次に波長の微調整を行うために動作しているレーザの近傍に配置されたヒータに電流をながして波長モニタの出力が０になるまでヒータの電力を増やしつづける。この時、素子のレーザ部以外の領域の温度を一定に保つように図５のサーミスタ９の出力が素子温度設定値と一致するようにペルチェー・クーラーの電流を増加させる。この２つの制御は１つのデジタルＩＣを用いで行うことも可能であり、またアナログ回路を組み合わせても可能である。
【００５９】
又、この実施例ではレーザ近傍にヒータを配置したが変長器近傍にヒータを配置し、変長器の温度をヒータとペルチェクーラで一定に保ち、レーザ部の温度をペルチェクーラで保つこのによっても波長可変レーザを実現することができる。
【００６０】
これまで説明してきた本願発明の諸形態の代表的な例を列挙すれば、次の通りである。
【００６１】
その第１は、光通信用変調器集積半導体レーザの活性層にＩｎとＧａとＡｌとＡｓの４元混晶が含まれた多重量子井戸から構成されており、その半導体レーザチップもしくは上記チップに熱的に接触したレーザを保持する部品上の温度がレーザおよび変調器の動作時に３５℃以上である変調器集積レーザを含む光通信用モジュールである。
【００６２】
その第２は、光通信用変調器集積半導体レーザの活性層にＩｎとＧａとＮとＡｓの４元混晶が含まれた多重量子井戸から構成されており、その半導体レーザチップもしくは上記チップに熱的に接触したレーザを保持する部品上の温度がレーザおよび変調器の動作時に３５℃以上である変調器集積レーザを含む光通信用モジュールである。
【００６３】
その第３は、光通信用変調器集積半導体レーザの活性層にＩｎとＧａとＡｌとＡｓの４元混晶あるいはＩｎとＧａとＮとＡｓの４元混晶が含まれた多重量子井戸から構成されており、レーザ活性層の近傍もしくは光変調器吸収層の近傍あるいはその両方の近傍に当該活性層および吸収層に熱を加えるためのヒータを形成し、かつ、モジュール動作時の活性層の最高温度が３５℃以上であることを特徴とした光通信用モジュールである。
【００６４】
その第４は、光通信用変調器集積半導体レーザの活性層にＩｎとＧａとＡｌとＡｓの４元混晶あるいはＩｎとＧａとＮとＡｓの４元混晶が含まれた多重量子井戸から構成されており、モジュール内に複数の変調器集積素子と出力光信号の合波器を含み、かつモジュール動作時の活性層の最高温度が３５℃以上であることを特徴とした光通信モジュールである。
【００６５】
その第５は、光通信用変調器集積半導体レーザの活性層にＩｎとＧａとＡｌとＡｓの４元混晶あるいはＩｎとＧａとＮとＡｓの４元混晶が含まれた多重量子井戸から構成されており、同一基板上にレーザを構成する光導波路、複数本とレーザ出力光を合波する為の合波器と光変調器を含み、かつモジュール動作時の活性層の最高温度が３５℃以上であることを特徴とした光通信モジュールである。
【００６６】
以上、詳細に説明したように、本願発明によれば、変調器集積型レーザモジュールのモジュール消費電力の低減特にペルチェ・クーラの消費電力を低減することができる。又、波長可変変調器集積レーザモジュールにおいて、広い波長可変巾とモジュール低消費電力化を同時に実現することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１：変調器集積型レーザダイオード、２：ＡｌＮサブマウント、３：ＣｕＷキャリア、４：ペルチェ・クーラ、５：モジュールケース、６： 電気信号入力端子、７： 変調器信号入力用マイクロストリップライン、９：温度モニタ用サーミスタ、１０：ボンディングワイヤ ペルチェクーラ、１１： ボンディングワイヤ ペルチェクーラ、１２：サブマウント上のマイクロストリップライン、１３：ファイバ結合用レンズ、１４：アイソレータ、１５：光出力用ファイバ、２１：変調器集積光源の変調器部分（電極）、２２： 変調器集積光源のＤＦＢレーザ部分（電極）、２３：Ｎ型ＩｎP基板、２４：断面図切断位置、２７：分布帰還用（ＤＦＢ）グレーティング、２８：平坦化用ポリイミド樹脂、３８：変調器電極、２９：二酸化シリコン保護膜、３０：上部ガイド層、３１：ＩｎＧａＡｌＡｓ/ＩｎＧａＡｌＡｓ多重量子井戸層、３３：ｎ-型電極、５１：ＤＦＢレーザ部分（４本アレイを図示する）、５２：電界吸収型変調器部分、５３：合波器部分、６１：レーザ活性層加熱用ヒータ、７１：変調器レーザアレイ集積素子（レーザ４チャンネル）、７２：発振波長モニタ、７３：制御系。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ発光部と、当該半導体レーザ発光部よりの光を変調する光変調器とが、ＩｎＰ基板上の集積された変調器集積半導体レーザ装置を備え、
前記光変調器の吸収層をＩｎＧａＡｌＡｓで構成し、
温度制御手段を有せず、室温以上で前記光変調器を駆動することを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
請求項１において、前記温度制御手段は、ペルチエ素子であることを特徴とする光モジュール。
【請求項１】
半導体レーザ発光部と、当該半導体レーザ発光部よりの光を変調する光変調器とが、ＩｎＰ基板上の集積された変調器集積半導体レーザ装置を備え、
前記光変調器の吸収層をＩｎＧａＡｌＡｓで構成し、
温度制御手段を有せず、室温以上で前記光変調器を駆動することを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
請求項１において、前記温度制御手段は、ペルチエ素子であることを特徴とする光モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００９−２９６０２０（Ｐ２００９−２９６０２０Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１８８０７（Ｐ２００９−２１８８０７）
【出願日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【分割の表示】特願２００１−５２３０２（Ｐ２００１−５２３０２）の分割
【原出願日】平成１３年２月２７日（２００１．２．２７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【分割の表示】特願２００１−５２３０２（Ｐ２００１−５２３０２）の分割
【原出願日】平成１３年２月２７日（２００１．２．２７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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