JP2019201162A

JP2019201162A - 光装置

Info

Publication number: JP2019201162A
Application number: JP2018095997A
Authority: JP
Inventors: 石井　啓之; Hiroyuki Ishii; 啓之石井; 義孝大礒; Yoshitaka Ooiso; 小林　亘; Wataru Kobayashi; 亘小林; 藤澤剛; Takeshi Fujisawa; 剛藤澤
Original assignee: Hokkaido University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Hokkaido University NUC; NTT Inc
Priority date: 2018-05-18
Filing date: 2018-05-18
Publication date: 2019-11-21

Abstract

【課題】光源として用いる半導体から構成された光装置を、より広帯域化する。【解決手段】量子井戸構造の活性部１０１を備え、活性部１０１は、ＩｎＧａＡｌＡｓから構成された井戸層１１１と、炭素をドーピングしてｐ型としたＩｎＧａＡｌＡｓから構成されて井戸層１１１を挾む障壁層１１２とから構成されている。また、ｎ型のＩｎＰからなる第１クラッド層１０２の上に、ｎ型のＩｎＧａＡｌＡｓからなる第１光閉じ込め層１０３を形成し、第１光閉じ込め層１０３の上に活性部１０１を形成している。また、活性部１０１の上には、ｐ型のＩｎＧａＡｌＡｓからなる第２光閉じ込め層１０４を形成し、この上に、ｐ型のＩｎＰからなる第２クラッド層１０５を形成している。【選択図】図１

Description

本発明は、量子井戸構造の活性部を備える光装置に関する。

近年、インターネットによる動画閲覧などの需要増加に伴い、光通信で扱われる情報量が急増している。コンピューターおよびネットワークをもとにして発展してきたイーサネット（登録商標）の規格の信号速度も、１Ｇｂｐｓ，１０Ｇｂｐｓ，１００Ｇｂｐｓと次々に大容量化されてきた。

主にデータセンタ内やデータセンタ間で用いられる速度１００Ｇｂｐｓ、伝送距離１０ｋｍのイーサネット規格「１００ＧｂＥ−ＬＲ４」では、波長多重技術を用いた強度変調／直接検波方式の光通信システムとなっている。この規格では、信号速度２５Ｇｂｐｓの光信号を４波長多重化して、信号速度を１００Ｇｂｐｓとしている。送信用の光源としては、２５Ｇｂｐｓの速度で変調が可能な、直接変調型の分布帰還型（ＤＦＢ）レーザや電界吸収型（ＥＡ）変調器を集積したＤＦＢレーザが用いられる。

さらなる高速化を目指した信号速度４００Ｇｂｐｓや１Ｔｂｐｓのシステムの検討も始まっているが、ここで課題となるのが、送信光源の動作速度である。信号速度４００Ｇｂｐｓや１Ｔｂｐｓのシステムを実現するためには、変調光源の動作速度を５０Ｇｂｐｓ以上に高速化し、さらに多値強度変調を施す必要があり、変調光源の広帯域化が課題となっている。

W. Kobayashi et al., "50-Gb/s Direct Modulation of a 1.3-μm InGaAlAs-Based DFB Laser With a Ridge Waveguide Structure", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 19, no. 4, 1500908, 2013.

半導体光源の広帯域化には、いくつかの解決方法がある。例えば、半導体レーザの活性層として用いる量子井戸構造を、バンドエンジニアリングにより最適化する方法が１つである。また、レーザの共振器長や回折格子による反射率などのレーザ共振器の構造パラメータを最適化する方法もある。非特許文献１は、量子井戸構造やレーザ共振器構造を最適化して作製した直接変調レーザの例であり、５０Ｇｂｐｓの変調速度を実現している。但し、このレーザでも、多値強度変調を施すには、周波数帯域が不足しており、さらなる広帯域化が求められている。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、光源として用いる半導体から構成された光装置を、より広帯域化することを目的とする。

本発明に係る光装置は、量子井戸構造の活性部を備え、活性部は、ＩｎＧａＡｌＡｓから構成された井戸層と、炭素をドーピングしてｐ型としたＩｎＧａＡｌＡｓから構成されて井戸層を挟んで配置された障壁層とを備える。

上記光装置において、活性部は、回折格子から構成された共振部を備えて分布帰還型レーザを構成する。

上記光装置において、分布帰還型レーザに直列に集積された第２活性部からなる光増幅器を備え、第２活性部は、活性部と同じ量子井戸構造とされている。

上記光装置において、分布帰還型レーザに直列に集積された電界吸収型の光変調器を備えるようにしてもよい。

上記光装置において、障壁層にドーピングされた炭素の濃度は、６〜８×１０²⁴ｃｍ^-3の範囲とされていればよい。

以上説明したように、本発明によれば、量子井戸構造の活性部を構成する障壁層を、炭素をドーピングしてｐ型としたＩｎＧａＡｌＡｓから構成したので、光源として用いる半導体から構成された光装置を、より広帯域化することができるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における光装置の構成を示す断面図である。図２は、本発明の実施の形態における光装置のバンド構造を示すバンド図である。図３Ａは、本発明の実施の形態における光装置の適用例となる半導体レーザの構成を示す断面図である。図３Ｂは、本発明の実施の形態における光装置の適用例となる半導体レーザの構成を示す断面図である。図４は、実施の形態における光装置を半導体レーザとした場合の、障壁層における炭素のドーピング濃度を変化させたときの、閾値キャリア密度Ｎ_thの変化を示す特性図である。図５は、実施の形態における光装置を半導体レーザとした場合の、障壁層における炭素のドーピング濃度を変化させたときの、閾値微分利得∂ｇ_th／∂_nの変化を示す特性図である。図６は、本発明の実施の形態における他の光装置の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態おける光装置について図１を参照して説明する。この光装置は、量子井戸構造の活性部１０１を備える。活性部１０１は、ＩｎＧａＡｌＡｓから構成された井戸層１１１と、炭素をドーピングしてｐ型としたＩｎＧａＡｌＡｓから構成されて井戸層１１１を挾む障壁層１１２とから構成されている。この例では、２つの井戸層１１１を備える構成としている。

なお、実施の形態では、ｎ型のＩｎＰからなる第１クラッド層１０２の上に、ｎ型のＩｎＧａＡｌＡｓからなる第１光閉じ込め層１０３を形成し、第１光閉じ込め層１０３の上に活性部１０１を形成している。また、活性部１０１の上には、ｐ型のＩｎＧａＡｌＡｓからなる第２光閉じ込め層１０４を形成し、この上に、ｐ型のＩｎＰからなる第２クラッド層１０５を形成している。

実施の形態において、活性部１０１は、第１光閉じ込め層１０３および第２光閉じ込め層１０４に挾まれて配置されている。また、第１光閉じ込め層１０３、活性部１０１、第２光閉じ込め層１０４は、第１クラッド層１０２および第２クラッド層１０５に挾まれて配置されている。

次に、実施の形態における光装置の積層方向のエネルギー・バンドについて、図２を参照して説明する。

ｐ型のＩｎＧａＡｌＡｓからなる障壁層１１２にドープした炭素はアクセプターとして働き、正孔を価電子帯に放出するが、これらの正孔２０３はエネルギーの低い井戸層１１１に溜まることになる。また、ｐ−ｉ−ｎのダイオード構造に電圧を印加しなくとも、ドーピングの効果により、井戸層１１１に正孔２０３が分布していることになる。なお、井戸層１１１には、ダイオード構造に電圧を印加することで注入された電子２０１および正孔２０２もとどまる。この結果、ダイオード構図に電圧をかけて、電子や正孔を井戸層１１１に注入したときの光学利得特性に変化が生じる。

上述したように、実施の形態における量子井戸構造には、もともと正孔が分布していることにより、キャリアの反転分布が起きやすくなり、光学利得や利得係数を大きくすることができる。これらは、変調ドーピングとして古くより知られているが、この技術をＩｎＧａＡｌＡｓ系の量子井戸構造に適用したのが、本発明の特徴である。

従来、ＩｎＰ基板を用いた長波長帯（１．３〜１．６μｍ）のレーザを構成する量子井戸構造には、ＩｎＧａＡｓＰが多く用いられてきた。ＩｎＧａＡｓＰの場合、一般には、ｐ型のドーパントとしては亜鉛（Ｚｎ）が用いられている。しかしながら、Ｚｎは拡散係数が大きいため、結晶成長でレーザ構造を作製している最中に拡散しやすく、変調ドーピングをしても、拡散によりＺｎが移動してしまい、所望のドーピング分布を得られないという問題があった。

これに対し、本発明では、ＩｎＧａＡｌＡｓから構成した障壁層１１２に炭素（Ｃ）をドーピングすることによって、量子井戸構造の活性部１０１において変調ドーピングを実現している。ＣはＺｎに比べて、拡散係数が２桁小さいため、図２に示すようなバンドの状態が得られるドーピング分布が実現できる。なお、ＩｎＧａＡｓＰに対しては、Ｃはｎ型のドーパントとなるので、この構成は、上述した実施の形態における活性部１０１とする量子井戸構造には適用できない。

実施の形態における光装置は、例えば、半導体レーザとすることができる。この半導体レーザの直接変調の帯域を決める重要なパラメータは、緩和振動周波数ｆ_rであり、以下の式で表される。

なお、上記式において、τ_phは光子寿命、∂g_th／∂_nは閾値微分利得、Ｉは注入電流、Ｉ_thは閾値電流を示す。

障壁層に炭素をドープすることによる変調ドーピング構造を用いることにより、閾値電流Ｉ_thを低減し、閾値微分利得∂ｇ_th／∂_nを増加させることができるので、緩和振動周波数ｆ_rの増大が期待される。この結果、変調帯も増加する。

次に、上述した実施の形態における光装置を半導体レーザとする場合について、図３Ａ、図３Ｂを参照して説明する。図３Ａは、光導波方向に平行な断面を示し、図３Ｂは、光導波方向に垂直な断面を示している。

この半導体レーザは、ｎ型のＩｎＰからなる第１クラッド層３００の上に、ＩｎＧａＡｌＡｓから構成された井戸層と、炭素をドーピングしてｐ型としたＩｎＧａＡｌＡｓから構成された障壁層とによる量子井戸構造の活性部３０２を形成している。活性部３０２は、例えば、井戸層の層数が８とされ散る。また、井戸層は、約１．５％の圧縮歪が加わるような組成とされている。

また、活性部３０２の上には、ＩｎＧａＡｓＰからなるガイド層３０３を形成し、この上に、ｐ型のＩｎＰからなる第２クラッド層３０１を形成している。ガイド層３０３には、単一モードで発振する分布帰還型レーザの共振部とするための回折格子３０４が形成されている。レーザ共振器長は１５０μｍである。

また、第１クラッド層３００の裏面側には、Ａｕからなるｎ側電極３０６が形成され、第２クラッド層３０１の上には、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層３０５を介してＡｕからなるｐ側電極３０７が形成されている。また、活性部３０２，回折格子３０４が形成されているガイド層３０３の側部は、半絶縁性のＩｎＰからなる埋め込み層３１０により埋め込まれ、電流を効率よく注入するための電流狭窄構造とされている。また、活性部３０２の導波方向の一端には、高反射膜３０８が形成され、他端には反射防止膜３０９が形成されている。

上述した各構造パラメータは、変調周波数帯域が増大するように最適化した値である。ｐ側電極３０７とｎ側電極３０６の間に電圧を印加し、活性部３０２に電流を流すことによってレーザ発振を得る。

上述した半導体レーザの障壁層における炭素のドーピング濃度を変化させたときの、閾値キャリア密度Ｎ_thの変化を図４に示し、閾値微分利得∂ｇ_th／∂_nの変化を図５に示す。なお、閾値利得が３００^-1，４００^-1，５００ｃｍ^-1の場合を示している。また、発振波長は、１３００ｎｍである。ドーピング濃度の増加に伴い閾値キャリア密度Ｎ_thは減少する。閾値微分利得∂ｇ_th／∂_nはドーピング濃度ｐ₀＝５×１０²⁴ｍ^-3程度まで単調増加し、この後、飽和する傾向を見せる。また、閾値利得が３００〜５００ｃｍ^-1程度の範囲であれば、それほど特性は大きく変化しない。ドーピング濃度を多くし過ぎると、結晶性の低下を引き起こす可能性があるので、ドーピング濃度は６〜８×１０²⁴ｍ^-3程度が望ましいといえる。このときの閾値微分利得は１．５倍程度まで増加する。

なお、上述した半導体レーザでは、活性部３０２の上に回折格子を形成したＤＦＢ構造としているが、これに限るものではない。例えば、活性部以外の光導波路に回折格子を形成したいわゆる分布反射型（Distributed Bragg Reflector：ＤＢＲ）のレーザでもよい。また、光導波路の構造としては、埋め込み型の構造となっているが、リッジ型の構造にも適用可能である。

次に、上述した実施の形態における光装置を、半導体レーザに、光増幅器および光変調器を組み合わせた構成について、図６を参照して説明する。図６は、光が導波する方向に平行な断面を示している。

この例では、半導体レーザ３５１，電界吸収型の光変調器３５２，光増幅器３５３をこれらの順に直列に集積している。半導体レーザ３５１における構成は、図３Ａ，図３Ｂを用いて説明した半導体レーザと同様である。また、全ての領域において、第１クラッド層３００，第２クラッド層３０１は共通としている。

光変調器３５２は、第１クラッド層３００の上に、ＩｎＧａＡｓＰによる多重量子井戸構造の活性コア部３１４を備え、第２クラッド層３０１上にｐ型のＩｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層３０５を介してｐ側電極３１１が形成されている。

また、光増幅器３５３は、第２クラッド層３０１の上に、炭素をドーピングしてｐ型としたＩｎＧａＡｌＡｓから構成した障壁層による量子井戸構造の活性部３０２を備え、第２クラッド層３０１上にｐ型のＩｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層３０５を介してｐ側電極３１２が形成されている。光増幅器３５３では、半導体レーザ３５１と同じ活性部３０２を備えているが、共振構造は備えていない。

また、半導体レーザ３５１と光変調器３５２との間、および光変調器３５２と光増幅器３５３との間は、ＩｎＧａＡｓＰから構成されたパッシブコア３１３による光導波路で光学的に接続されている。

この光装置では、変調周波数帯域は、変調ドープ構造としていない活性コア部３１４からなる光変調器３５２によって決定されるので、変調ドーピングによる変調周波数帯域への影響はない。しかしながら、変調ドープ構造とした活性部３０２により半導体レーザ３５１の閾値電流が下がることと、光増幅器３５３の利得が増大することにより、低消費電力で動作させることが可能となる。

以上に説明したように、本発明によれば、量子井戸構造の活性部を構成する障壁層を、炭素をドーピングしてｐ型としたＩｎＧａＡｌＡｓから構成したので、光源として用いる半導体から構成された光装置を、より広帯域化することができるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…活性部、１０２…第１クラッド層、１０３…第１光閉じ込め層、１０４…第２光閉じ込め層、１０５…第２クラッド層、１１１…井戸層、１１２…障壁層。

Claims

量子井戸構造の活性部を備える光装置であって、
前記活性部は、
ＩｎＧａＡｌＡｓから構成された井戸層と、
炭素をドーピングしてｐ型としたＩｎＧａＡｌＡｓから構成されて前記井戸層を挾む障壁層と
を備えることを特徴とする光装置。
請求項１記載の光装置において、
前記活性部は、回折格子から構成された共振部を備えて分布帰還型レーザを構成することを特徴とする光装置。
請求項２記載の光装置において、
前記分布帰還型レーザに直列に集積された第２活性部からなる光増幅器を備え、
前記第２活性部は、前記活性部と同じ量子井戸構造とされていることを特徴とする光装置。
請求項２または３記載の光装置において、
前記分布帰還型レーザに直列に集積された電界吸収型の光変調器を備えることを特徴とする光装置。
請求項１〜４のいずれか１項に光装置において、
前記障壁層にドーピングされた炭素の濃度は、６〜８×１０²⁴ｃｍ^-3の範囲とされていることを特徴とする光装置。