JP7601219B2 - Semiconductor Optical Devices - Google Patents
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Description
本発明は、半導体光デバイスに関する。 The present invention relates to a semiconductor optical device.
薄膜構造特有の強い光閉じ込めと、縦方向からの効率的な電流注入の両立を可能とする構造として、薄膜構造の活性領域上部に細いメサ幅(典型的には400nm以下)の電流注入用メサを有する、縦型薄膜構造が提案されている。なお、薄膜構造とは、例えば、厚さ250~500nm程度のIII-V族半導体薄膜が、SiO2や空気などの低屈折率な絶縁材料によって取り囲まれた構造である。 A vertical thin-film structure has been proposed that has a thin mesa (typically 400 nm or less) for current injection above the active region of the thin-film structure, as a structure that enables both strong light confinement specific to the thin-film structure and efficient current injection from the vertical direction. The thin-film structure is, for example, a structure in which a III-V semiconductor thin film with a thickness of about 250 to 500 nm is surrounded by an insulating material with a low refractive index, such as SiO2 or air.
通常の薄膜構造では、埋め込み活性領域の左右に、例えばInPからなるn型の半導体層とp型の半導体層を備え、これらの双方から活性領域にキャリアが注入される横型が広く採用されている(非特許文献1~3参照)。活性領域としては、例えばInGaAsP,InGaAlAsなどからなる多重量子井戸構造が用いられている。In a typical thin-film structure, a lateral type is widely used in which an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer made of, for example, InP are provided on the left and right of a buried active region, and carriers are injected into the active region from both of these layers (see non-patent
一方、前述した縦型薄膜構造によれば、活性領域上部の電流注入用の第1メサを、例えば400nm程度以下の細い幅にすることで、活性領域断面での光のモードが第1メサに吸収されることを防ぎ、縦方向からの電流注入を可能としつつも、横型と比較して遜色のない高い光閉じ込めを得ることができる。以下では便宜上、活性領域断面をxy平面にとり、横方向をx方向、縦方向をy方向と定義する。この定義においては、薄膜構造中を伝搬する光の光軸方向はz方向となる。On the other hand, in the vertical thin-film structure described above, the first mesa for current injection above the active region is narrowed to, for example, about 400 nm or less, thereby preventing the optical mode in the cross section of the active region from being absorbed by the first mesa, and while enabling current injection from the vertical direction, it is possible to obtain high optical confinement that is comparable to that of the horizontal type. For convenience, the cross section of the active region is taken as the xy plane below, and the horizontal direction is defined as the x direction and the vertical direction as the y direction. In this definition, the optical axis direction of the light propagating through the thin-film structure is the z direction.
このような活性領域への電流注入可能な薄膜構造の代表的な応用例は、非特許文献1~3でも実現されているような、活性領域断面に表面回折格子を有する半導体レーザダイオード(LD)である。これらのLDでは、活性領域中を伝搬する光のモードを、ブラッグ反射によってz方向に閉じ込めて共振器を形成することを目的として回折格子が形成される。特に典型的な構造は、非特許文献1の分布帰還型(DFB)レーザや非特許文献2の分布反射型(DR)レーザであり、これらは安定的なシングルモード発振が得られる構造として広く用いられている。A typical application of such a thin film structure that allows current injection into the active region is a semiconductor laser diode (LD) with a surface diffraction grating in the cross section of the active region, as also realized in
ここで、横型薄膜構造においては、活性領域が形成される半導体薄膜の上部に第1メサが存在しないため、例えばInPなどからなる薄膜の上面をエッチングすることで、活性領域への強い光閉じ込めを維持しながら、表面回折格子を形成することができる。この構造では、薄膜構造付近での光閉じ込めが強く、また表面回折格子の凸部分(例えばInP)と凹部分(例えばSiO2や空気)の屈折率差が大きい。このため、横型薄膜構造では、典型的には、20~30nm程度の比較的浅い掘り込みによって、数百cm-1~1000cm-1に達するような高い結合定数κの回折格子を得ることができる(非特許文献3参照)。強い光閉じ込めと高い結合定数を両立することは、非特許文献3でも示されているように、消費電力の小さな短共振器レーザを実現する上で特に重要である。
Here, in the lateral thin film structure, since there is no first mesa on the semiconductor thin film on which the active region is formed, by etching the upper surface of a thin film made of, for example, InP, a surface diffraction grating can be formed while maintaining strong light confinement in the active region. In this structure, the light confinement is strong near the thin film structure, and the refractive index difference between the convex part (e.g., InP) and the concave part (e.g., SiO 2 or air) of the surface diffraction grating is large. For this reason, in the lateral thin film structure, a diffraction grating with a high coupling constant κ reaching several hundred cm -1 to 1000 cm -1 can be obtained by a relatively shallow excavation of about 20 to 30 nm (see Non-Patent Document 3). As shown in Non-Patent
一方で、縦型薄膜構造においては、第1メサが存在するため、横型薄膜構造のそれと同一の表面回折格子を形成することはできない。このため、縦型薄膜構造においては、半導体薄膜下方のアンダークラッド(例えばSiO2)に埋め込まれた導波路(例えばSi導波路)のモードを半導体薄膜側のモードと結合させ、埋め込み導波路側に回折格子を形成する、などの技術が提案されている。 On the other hand, in the vertical thin-film structure, since the first mesa exists, it is not possible to form a surface grating identical to that in the horizontal thin-film structure. For this reason, in the vertical thin-film structure, a technique has been proposed in which the mode of a waveguide (e.g., a Si waveguide) buried in an undercladding (e.g., SiO2 ) below the semiconductor thin film is coupled with the mode on the semiconductor thin film side to form a grating on the buried waveguide side.
しかしながら、この構造の場合、回折格子の形成場所が活性領域から遠く離れているため、高い結合定数を得るためには、埋め込み導波路側に光が強く局在化したような断面モード(薄膜側のモードと埋め込み導波路側のモードが結合することで新たに形成されるスーパーモード)を用いる必要があり、活性領域への強い光閉じ込めを得ることができない。このように、従来の縦型薄膜構造においては、横型構造では可能であった強い光閉じ込めと高い結合定数の両立が困難であった。 However, in this structure, the location where the diffraction grating is formed is far away from the active region, so in order to obtain a high coupling constant, it is necessary to use a cross-sectional mode in which light is strongly localized on the buried waveguide side (a new supermode formed by combining the mode on the thin film side with the mode on the buried waveguide side), and strong light confinement to the active region cannot be obtained. Thus, with the conventional vertical thin film structure, it was difficult to achieve both strong light confinement and a high coupling constant, which was possible with the horizontal structure.
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、縦型薄膜構造の半導体光デバイスで、強い光閉じ込めと高い結合定数とが両立できるようにすることを目的とする。The present invention has been made to solve the above problems, and aims to achieve both strong optical confinement and a high coupling constant in a semiconductor optical device with a vertical thin-film structure.
本発明に係る半導体光デバイスは、基板の上に形成された下部クラッド層と、下部クラッド層の上に形成された第1導電型のIII-V族化合物半導体からなる第1半導体層と、第1半導体層の上に形成されたIII-V族化合物半導体からなる活性層と、活性層の上に形成されたIII-V族化合物半導体からなる第2半導体層と、第2半導体層の上面に形成された回折格子からなる共振器と、活性層の形成領域の上方に形成され、活性層の延在方向に延在するメサ形状とされた第2導電型のIII-V族化合物半導体からなる第3半導体層と、第3半導体層の両側面を覆って第2半導体層の上に形成された上部クラッド層と、第1半導体層に電気的に接続する第1電極と、第3半導体層に電気的に接続する第2電極とを備え、第3半導体層のメサ幅は、活性層の幅より小さくされている。The semiconductor optical device according to the present invention comprises a lower cladding layer formed on a substrate, a first semiconductor layer made of a first conductivity type III-V compound semiconductor formed on the lower cladding layer, an active layer made of a III-V compound semiconductor formed on the first semiconductor layer, a second semiconductor layer made of a III-V compound semiconductor formed on the active layer, a resonator made of a diffraction grating formed on the upper surface of the second semiconductor layer, a third semiconductor layer made of a second conductivity type III-V compound semiconductor formed above the formation region of the active layer and having a mesa shape extending in the extension direction of the active layer, an upper cladding layer formed on the second semiconductor layer and covering both side surfaces of the third semiconductor layer, a first electrode electrically connected to the first semiconductor layer, and a second electrode electrically connected to the third semiconductor layer, the mesa width of the third semiconductor layer being smaller than the width of the active layer.
以上説明したように、本発明によれば、活性層の上下方向に電流が印加される縦型薄膜構造の半導体光デバイスにおいて、活性層と第3半導体層との間に、これらとは異なる屈折率の第2半導体層を設け、第2半導体層に回折格子を形成したので、縦型薄膜構造の半導体光デバイスで、強い光閉じ込めと高い結合定数とが両立できる。As described above, according to the present invention, in a semiconductor optical device with a vertical thin-film structure in which current is applied in the vertical direction of the active layer, a second semiconductor layer having a refractive index different from that of the active layer and a third semiconductor layer is provided between the active layer and the third semiconductor layer, and a diffraction grating is formed in the second semiconductor layer, so that the semiconductor optical device with a vertical thin-film structure can achieve both strong optical confinement and a high coupling constant.
以下、本発明の実施の形態に係る半導体光デバイスについて図1を参照して説明する。この半導体光デバイスは、まず、基板101の上に形成された下部クラッド層102と、下部クラッド層102の上に形成された第1導電型のIII-V族化合物半導体からなる第1半導体層103と、第1半導体層103の上に形成されたIII-V族化合物半導体からなる活性層104とを備える。A semiconductor optical device according to an embodiment of the present invention will now be described with reference to Figure 1. This semiconductor optical device comprises a
また、この半導体光デバイスは、活性層104の上に形成されたIII-V族化合物半導体からなる第2半導体層105と、第2半導体層105の上面に形成された回折格子からなる共振器106と、活性層104の形成領域の上方に形成され、活性層104の延在方向に延在するメサ形状とされた第2導電型のIII-V族化合物半導体からなる第3半導体層107とを備える。第3半導体層107のメサ幅は、活性層104の幅より小さくされている。This semiconductor optical device also includes a
共振器106は、第2半導体層105の上面を、微細加工することで形成された凹凸のパターンからなる回折格子から構成されている。第2半導体層105と第3半導体層107とを、各々異なる屈折率とすることで、第2半導体層105の上面の凹凸のパターンは、凸の部分が第2半導体層105からなり、凹の部分が第3半導体層107からなる回折格子となる。この例では、第2半導体層105の上には、後述する上部クラッド層108も形成されており、この領域では、第2半導体層105の上面の凹凸のパターンは、凸の部分が第2半導体層105からなり、凹の部分が上部クラッド層108からなる回折格子となる。The
また、この半導体光デバイスは、第3半導体層107の両側面を覆って第2半導体層105の上に形成された上部クラッド層108と、第1半導体層103に電気的に接続する第1電極131と、第3半導体層107に電気的に接続する第2電極132とを備える。例えば、第1電極131は、活性層104などのメサが形成されていない領域の第1半導体層103の上に接して形成されている。また、例えば、第2電極132は、上部クラッド層108の上に形成されて、第3半導体層107に電気的に接続する。This semiconductor optical device also includes an
また、実施の形態に係る半導体光デバイスは、活性層104によるメサの両側面に接して第1半導体層103の上に形成された、非導電性または低導電性のIII-V族化合物半導体からなる第4半導体層121および第5半導体層122をさらに備える。また、活性層104、第4半導体層121および第5半導体層122の上には、第4半導体層121および第5半導体層122と同じIII-V族化合物半導体からなる第6半導体層109が形成されている。また、この半導体光デバイスでは、第2電極132が、コンタクト層110を介して第3半導体層107の上に接続(形成)されている。The semiconductor optical device according to the embodiment further includes a
実施の形態に係る半導体光デバイスは、回折格子による共振器106を用いたいわゆる分布帰還型(Distributed Feedback:DFB)の半導体レーザである。回折格子は、活性層104の共振方向(導波方向)に沿って分布する構成となっている。The semiconductor optical device according to the embodiment is a so-called distributed feedback (DFB) semiconductor laser that uses a
基板101は、例えば、シリコンから構成することができる。下部クラッド層102は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、シリコンカーバイド、ダイヤモンドなどの活性層104を構成する半導体より低屈折率な材料から構成することができる。第1半導体層103は、例えば、n型のInPから構成することができる。この場合、第1導電型は、n型であり、第2導電型は、p型である。The
活性層104は、例えば、各が組成の異なるInGaAlAs、InGaAs、InGaAsPなどからなる井戸層と障壁層とによる多重量子井戸構造(MQW)とすることができる。また、活性層104は、バルクのInGaAlAs、InGaAs、InGaAsPなどの化合物半導体から構成することもできる。第6半導体層109は、例えば、p型のInPから構成することができる。この場合、第2導電型はp型となる。また、第2半導体層105は、p型のInGaAsPから構成することができる。The
第3半導体層107は、例えば、p型のInPから構成することができる。また、第3半導体層107は、例えば、n型のInPから構成することができる。第4半導体層121および第5半導体層122は、例えば、i型のInP(i-InP)から構成することができる。また、第4半導体層121および第5半導体層122は、Feをドープすることなどにより高抵抗とされた半絶縁性のInP(SI-InP)から構成することもできる。The
上部クラッド層108は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコンなどの活性層104を構成する半導体より低屈折率な材料から構成することができる。また、上部クラッド層108は、ベンゾシクロブテン(BCB)などの樹脂から構成することもできる。また、上部クラッド層108は、空気とすることもできる。上部クラッド層108は、基板101から見て、上部クラッド層として機能する。実施の形態に係る半導体光デバイスは、活性層104をコアとした光導波路の構造となっている。The
第2半導体層105は、上下の層とは異なる屈折率のIII-V族化合物半導体から構成することが重要である。また、下層を構成するIII-V族化合物半導体に対してほぼ格子整合してエピタキシャル成長可能なIII-V族化合物半導体から構成することが好ましい。It is important that the
本発明は、いわゆる縦型薄膜構造の半導体光デバイス(レーザダイオード)において、強い光閉じ込めと高い結合定数を両立する構造とすることを目的としている。またこれに加えて、特に、活性層104の断面が、シングルモード条件を満たさず複数の横モードが発振し得る場合において、高次モードの発振を抑制して基底モードのみを安定的にシングルモード発振させるような構造の提供を目的とする。The present invention aims to provide a structure that achieves both strong optical confinement and a high coupling constant in a semiconductor optical device (laser diode) with a so-called vertical thin-film structure. In addition, the present invention aims to provide a structure that suppresses oscillation of higher-order modes and stably oscillates only in a single mode in a case where the cross section of the
上述した実施の形態に係る半導体光デバイスの構造の各種特性を計算するために仮定した具体的な構造例を図2に示す。なお、以下ではyz断面で見たときの回折格子の形状として矩形を仮定する。 Figure 2 shows a specific example structure assumed for calculating various characteristics of the structure of the semiconductor optical device according to the above-mentioned embodiment. In the following, a rectangular shape is assumed as the diffraction grating when viewed in the yz cross section.
図2の(a)は、共振器106とする矩形回折格子における凸部分でのxy断面、図2の(b)は、凹部分でのxy断面である。図2からわかるように、共振器106を構成する回折格子では、第3半導体層107の第1メサの部分では、第2半導体層105が凸に、第3半導体層107が凹になる。一方、第1メサのx方向外側では、第2半導体層105が凸に、上部クラッド層108が凹になる。2A is an xy cross section of the convex portion of the rectangular diffraction grating that serves as the
一般に、InGaAsPなどのIII-V族混晶は、InPなどよりも高い屈折率を有しており、これらの材料により回折格子を構成することが、本発明の特徴である高い結合定数に寄与している。以下に示す計算では、いずれの構造においても、動作波長(レーザの発振波長)として1310nm(通信用光源の発振波長として典型的な値)を仮定し、第2半導体層105を、バンドギャップ波長が1200nmでInPに格子整合したInGaAsPから構成し、第3半導体層107をInPから構成している。In general, III-V mixed crystals such as InGaAsP have a higher refractive index than InP and the like, and constructing a diffraction grating from these materials contributes to the high coupling constant that is a feature of the present invention. In the calculations shown below, in both structures, the operating wavelength (laser oscillation wavelength) is assumed to be 1310 nm (a typical value for the oscillation wavelength of a communication light source), the
バンドギャップ波長が動作波長よりも十分に短いことから、第2半導体層105では、バンド間遷移による光の発生や吸収は起こらない。InGaAsPの材料屈折率は約3.407と計算され、InPの材料屈折率は各々約3.185と計算され、有意な屈折率差を有している。Since the band gap wavelength is sufficiently shorter than the operating wavelength, no light is generated or absorbed due to band-to-band transition in the
また、第3半導体層107の側方では、第3半導体層107の上に形成された回折格子の凹部分が、上部クラッド層108による低屈折率材料となるため、さらに大きな屈折率差が得られ、これも、回折格子における高い結合定数に大きく寄与する。なお、この例における1310nmという波長の仮定は、具体例の計算のための便宜的なものであり、本発明の適用波長域はこれに限定されない。例えば、同じく通信用波長帯として典型的な1550nm帯においても本発明は同様に適用可能である。
In addition, on the sides of the
図3は、図2の(a)に示した構造(回折格子凸部分)を用いて計算したTEn0モード(n=0,1,2)の強度分布である。TE00モードが発振させるべき基底モードであり、nが1以上のモードが発振を抑制すべき高次モードである。また、第3半導体層107のメサ幅W1として、活性層104(薄膜構造)中への強い光閉じ込めを得る上での典型的な値である100nm、200nm、300nm,400nmの4水準を並べて示している。
3 shows the intensity distribution of the TEn0 mode (n=0, 1, 2) calculated using the structure (convex portion of the diffraction grating) shown in FIG. 2(a). The TE00 mode is the fundamental mode to be oscillated, and the modes with n of 1 or more are higher modes to suppress oscillation. In addition, four levels of 100 nm, 200 nm, 300 nm, and 400 nm, which are typical values for obtaining strong light confinement in the active layer 104 (thin film structure), are shown as the mesa width W1 of the
MQWからなる活性層104のメサ幅が800nmと比較的狭くなっていることから、高次モードの活性層104への光閉じ込めが抑えられていることがわかる。Since the mesa width of the
図4は、図2の(a)の構造を用いて計算した、各モードの等価屈折率(a)、回折格子のブラッグ波長(b)、活性層104(MQW領域全体)への光閉じ込め係数(c)を示している。横軸は、第3半導体層107のメサ幅である。ここで、図4の(b)のブラッグ波長は、以下の式から求めたものである。
Figure 4 shows the equivalent refractive index (a) of each mode, the Bragg wavelength (b) of the diffraction grating, and the optical confinement coefficient (c) for the active layer 104 (whole MQW region), calculated using the structure in Figure 2(a). The horizontal axis is the mesa width of the
これはすなわち、基底モードのブラッグ波長が1310nmになるようなピッチで回折格子を形成する、ということを想定している。高次モードの発振を抑える上では、各モード間でのブラッグ波長の離調が大きいことが望ましい。図4の(c)より、やはり基底モードの光閉じ込めが高次モードよりも明らかに大きくなっていることがわかる。このこともまた、後述するように、高次モードの発振を抑える上で重要である。 This means that the diffraction grating is assumed to be formed with a pitch such that the Bragg wavelength of the fundamental mode is 1310 nm. In order to suppress oscillation of higher-order modes, it is desirable to have a large detuning of the Bragg wavelengths between the modes. Figure 4(c) shows that the optical confinement of the fundamental mode is clearly greater than that of the higher-order modes. This is also important in suppressing oscillation of higher-order modes, as will be described later.
図5は、図2の(a),図2の(b)各々における等価屈折率neq,1,neq,2を用いて求めた回折格子の結合定数である。計算にあたっては、デューティ比(凸部分と凹部分のz方向の長さの比率)1:1の矩形回折格子の結合定数を与える以下の式を用いた。 Fig. 5 shows the coupling constant of the diffraction grating calculated using the equivalent refractive indices n eq,1 and n eq,2 in Fig. 2(a) and Fig. 2(b). The following equation was used for the calculation, which gives the coupling constant of a rectangular diffraction grating with a duty ratio (ratio of the length of the convex portion to the length of the concave portion in the z direction) of 1:1.
図5の横軸は、回折格子の掘り込み深さ(凸部分と凹部分の高さの差分)である。図5の(a)より、例えば、第3半導体層107のメサ幅が200nmの場合、回折格子の掘り込み深さ(凹部の深さ)20nm,30nmで、各々約600cm-1,900cm-1程度の結合定数が基底モードにおいて得られていることがわかる。その上で、既に図4の(c)に示したように活性層104への光閉じ込め係数は、0.4を超える大きな値となっており、強い光閉じ込めと高い結合定数が両立されていることがわかる。
The horizontal axis of Fig. 5 is the recess depth of the diffraction grating (the difference between the heights of the convex and concave portions). Fig. 5(a) shows that, for example, when the mesa width of the
一方で、図5の(b),図5の(c)より、高次モードにおいてはさらに大きな結合定数が得られていることがわかる。高次モードの発振を抑制する上では、基底モードのみが大きな結合定数を有するようにすることが望ましい。本発明では、これを達成するための構造として、図7に示すような構造を提案する。この半導体光デバイスは、図1を用いて説明した半導体光デバイスの構造における第2半導体層105の幅を、活性層104の幅と同程度とした第2半導体層105aとし、この部分にのみ回折格子を形成して共振器106aとした構造である。
On the other hand, from (b) and (c) of FIG. 5, it can be seen that an even larger coupling constant is obtained in the higher-order mode. In order to suppress the oscillation of the higher-order mode, it is desirable to make only the fundamental mode have a large coupling constant. In the present invention, a structure as shown in FIG. 7 is proposed as a structure to achieve this. In this semiconductor optical device, the width of the
本構造を採用する副次的な効果として、第3半導体層107から活性層104へのキャリア注入において電流狭窄が起こり、より効率的に電流注入が行えるという利点が得られる。図7の(a),図7の(b)は、図6を用いて説明した半導体光デバイスの各種特性を計算するために仮定した具体的な構造例であり、第2半導体層105aの幅が活性層104幅に等しい、という点以外は、図2(a),図2(b)と同一の構造である。
As a secondary effect of adopting this structure, current constriction occurs during carrier injection from the
図8は、図7の(a)の構造を用いて計算した各モードの強度分布である。また、図9は、図7の(a)の構造を用いて計算した各モードの等価屈折率 neq(a)、回折格子のブラッグ波長λB(b)、活性層104(MQW領域全体)への光閉じ込め係数ΓMQW(c)である。図9の(c)より、依然として基底モードが高次モードよりも有意に大きな光閉じ込め係数を有していることがわかる。 Fig. 8 shows the intensity distribution of each mode calculated using the structure of Fig. 7(a). Also, Fig. 9 shows the equivalent refractive index n eq (a), the Bragg wavelength λ B of the diffraction grating (b), and the optical confinement factor Γ MQW (c) in the active layer 104 (whole MQW region) calculated using the structure of Fig. 7(a). It can be seen from Fig. 9(c) that the fundamental mode still has a significantly larger optical confinement factor than the higher-order modes.
図10は、図5と同様に、図7の(a),図7の(b)各々における等価屈折率neq,1,neq,2を用いて求めた回折格子の結合定数κである。図10の(a)より、例えば第3半導体層107のメサ幅が200nmの場合、回折格子の掘り込み深さ20nm,30nmで各々約500cm-1,800cm-1程度の結合定数が基底モードにおいて得られていることがわかる。これは、図5の(a)と比較するとやや低くなってはいるが、掘り込み深さ20nm~30nmの回折格子の結合定数としては依然として高い値である。
Fig. 10 shows the coupling constant κ of the diffraction grating calculated using the equivalent refractive indices n eq,1 and n eq,2 in Fig. 7(a) and Fig. 7(b) in the same manner as Fig. 5. Fig. 10(a) shows that, for example, when the mesa width of the
一方で、図10の(b),図10の(c)より、高次モードの結合定数は、図5の(b),図5の(c)から大きく低下しており、結果として、基底モードのそれよりも有意に低い値となっていることがわかる。従って、図6を用いて説明した半導体光デバイスとすることで、基底モードの結合定数は、図1を用いて説明した半導体光デバイスのそれと同程度の高い水準に保ちつつ、高次モードの結合定数のみを効果的に低減することができる。 On the other hand, from Figures 10(b) and 10(c), it can be seen that the coupling constant of the higher-order mode is significantly lower than that of Figures 5(b) and 5(c), and as a result, it is significantly lower than that of the fundamental mode. Therefore, by using the semiconductor optical device described using Figure 6, it is possible to effectively reduce only the coupling constant of the higher-order mode while maintaining the coupling constant of the fundamental mode at a high level similar to that of the semiconductor optical device described using Figure 1.
ここまでは、ベースとなる縦型薄膜構造として、活性層104がInPなどのパッシブな、第4半導体層121、第5半導体層122、および第6半導体層109の中に埋め込まれた構造を仮定してきたが、これ以外の縦型薄膜構造として、図11に示すような構造も考えられる。この半導体光デバイスは、活性層104がパッシブ半導体中に埋め込まれておらず、第2半導体層105および活性層104aによってメサ形状が形成された構造である。Up to this point, we have assumed that the base vertical thin-film structure is one in which the
図1,図6を用いて説明した半導体光デバイスのような埋め込み構造と比較したとき、図11に示す半導体光デバイスの構造を用いる利点として、以下のことが挙げられる。 Compared to an embedded structure such as the semiconductor optical device described using Figures 1 and 6, the advantages of using the semiconductor optical device structure shown in Figure 11 include the following:
[利点1]
活性層104aを埋め込むための結晶再成長工程が不要であり、作製がより簡便である。
[利点2]
パラレルな電流リークパスとして振る舞い得るパッシブな半導体層が存在せず、効率的な電流注入が可能である。
[Advantage 1]
The crystal regrowth process for burying the
[Advantage 2]
There are no passive semiconductor layers that can act as parallel current leakage paths, allowing efficient current injection.
図11に例示する半導体光デバイスの各種特性を計算するために仮定した具体的な構造例を図12に示す。なお、図12で示している構造は、回折格子の凸部分におけるxy断面構造であり、回折格子の凹部分においては、図2の(b)などと同様に、第2半導体層105の上面を掘り込む(すなわち、回折格子の幅が、活性層104a,第2半導体層105のメサ幅に等しい)とする。
Figure 12 shows a specific example structure assumed for calculating various characteristics of the semiconductor optical device illustrated in Figure 11. Note that the structure shown in Figure 12 is an xy cross-sectional structure of the convex portion of the diffraction grating, and in the concave portion of the diffraction grating, the top surface of the
図13は、図12の構造において、第3半導体層107のメサ幅を200nmの1水準、活性層104aのメサ幅を800nm,2.0μm,4.0μmの3水準として計算した各モードの強度分布である。これらの強度分布からもわかるように、活性層104aをリッジ構造とした半導体光デバイスでは、活性層104a、第2半導体層105の側面が低屈折率な上部クラッド層108と接しているため、x方向においても強い光閉じ込めが起こり、基底モードだけでなく高次モードも活性層104aの中に強く閉じ込められる。13 shows the intensity distribution of each mode calculated for the structure of FIG. 12 with the mesa width of the
図14,図15,図16は、各々、図12の構造を用いて計算した各モードの等価屈折率、回折格子のブラッグ波長、活性層104(MQW領域全体)への光閉じ込め係数である。 Figures 14, 15, and 16 respectively show the equivalent refractive index of each mode, the Bragg wavelength of the diffraction grating, and the optical confinement coefficient in the active layer 104 (the entire MQW region) calculated using the structure of Figure 12.
いずれの図においても、第3半導体層107のメサ幅として100nm、200nm、300nm、400nmの4水準を仮定し、また横軸に、活性層104aのメサ幅をとった。図14,図15より、活性層104のメサ幅が広くなるにつれて、高次モードの等価屈折率が基底モードのそれに近しくなっていき、ブラッグ波長の離調が小さくなっていくことがわかる。例えば、第3半導体層107のメサ幅200nm、活性層104のメサ幅2.0μmの場合、基底モードとTE10モードのブラッグ波長の離調は、30nm程度となっている。これは活性層104にMQWを用いる場合の離調としては十分に大きな値とは言えず(すなわち、いずれのブラッグ波長においても同程度の利得が得られる可能性があり)、光閉じ込めや結合定数で有意な差を稼げない場合、マルチモード発振の可能性が生じてしまう。In each figure, the mesa width of the
図16より、例えば、第3半導体層107のメサ幅200nmの場合、基底モードにおいて0.5を超える非常に高い光閉じ込め係数が得られていることがわかる。しかしながら、この条件においては、同時に、活性層104aのメサ幅がある程度以上広い場合には、高次モードがさらに強い光閉じ込めを有していることがわかる。16, for example, when the mesa width of the
図17は、図12の構造を用いて図5などと同様に計算した結合定数の値である。第3半導体層107のメサ幅は200nmに固定した上で、活性層104aのメサ幅として800nm,2.0μm,4.0μmの3水準を仮定し、横軸に回折格子の堀深さをとった。いずれの活性層104aのメサ幅においても、掘り込み深さ20nm,30nmで各々約700cm-1以上,約1100cm-1以上の非常に高い結合定数が基底モードにおいて得られている。しかしながら、このとき同時に高次モードの結合定数も同程度の非常に高い値になっている。
Figure 17 shows the coupling constant values calculated in the same manner as in Figure 5 using the structure of Figure 12. The mesa width of the
従って、図11の構造においては、基底モードにおいて強い光閉じ込めと高い結合定数が得られるが、同時に、高次モードも同程度の光閉じ込めおよび結合定数を有してしまう。その上で、上述のように特に活性層104aのメサ幅が広い場合には、モード間でのブラッグ波長の離調が小さくなるため、安定的にシングルモード発振を得ることが困難となり得る。このようなマルチモード性を解決するための構造として、本発明では図18のような構造を提案する。
Therefore, in the structure of Figure 11, strong optical confinement and a high coupling constant are obtained in the fundamental mode, but at the same time, the higher modes also have similar optical confinement and coupling constants. Furthermore, as described above, when the mesa width of the
図18に示す半導体光デバイスは、図11の構造において、回折格子を掘る(形成する)領域を、第2半導体層105のメサ幅の全域とせず、第2半導体層105のメサ幅の方向の中心付近の適当な幅の領域のみに限定して形成した構造である。この回折格子の幅は、活性層104a(第2半導体層105)のメサ幅に対する比率によって表すことができる。活性層104a(第2半導体層105)のメサ幅が2.0μmの場合、回折格子の形成幅1.5μmは、回折格子占有率75%に対応する。
The semiconductor optical device shown in Figure 18 has a structure in which the region where the diffraction grating is carved (formed) is limited to only a region of an appropriate width near the center in the direction of the mesa width of the
本構造の結合定数を計算するために仮定した具体的な構造例を図19に示す。回折格子占有率として25%,50%,75%,100%を仮定した。なお、図19からも明らかなように回折格子占有率100%は、図11の構造に等しい。第3半導体層107幅を200nmに固定し、活性層104a(第2半導体層105)のメサ幅を0.8μm,2.0μm,4.0μmとした場合の結合定数を、各々図20,図21,図22に示す。いずれの場合においても、回折格子占有率が小さくなるにつれて全体的に結合定数が低下しているが、特に回折格子占有率50%の場合においては、基底モードの結合定数低下は限定的な一方で、高次モードの結合定数は大きく低下していることがわかる。
A specific structural example assumed to calculate the coupling constant of this structure is shown in FIG. 19. The diffraction grating occupancy rates were assumed to be 25%, 50%, 75%, and 100%. As is clear from FIG. 19, a diffraction grating occupancy rate of 100% is equivalent to the structure in FIG. 11. The coupling constants when the width of the
回折格子占有率50%における基底モードの結合定数は、活性層104a(第2半導体層105)のメサ幅0.8μmの場合、掘り込み深さ20nm,30nmで各々約500cm-1,800cm-1弱程度となる。また、回折格子占有率50%における基底モードの結合定数は、活性層104a(第2半導体層105)のメサ幅2.0μmの場合、掘り込み深さ20nm,30nmで各々約650cm-1,1000cm-1程度となる。また、回折格子占有率50%における基底モードの結合定数は、活性層104a(第2半導体層105)のメサ幅4.0μmの場合、掘り込み深さ20nm,30nmで各々約650cm-1,800cm-1程度となっている。
The coupling constant of the fundamental mode at a diffraction grating occupancy of 50% is approximately 500 cm -1 and slightly less than 800 cm -1 at the excavation depths of 20 nm and 30 nm when the mesa width of the
これらの値は、回折格子占有率100%の場合よりは低いが、依然として高い値である。一方で、この条件における高次モードの結合定数は、基底モードのそれよりも約100cm-1~数百cm-1程度小さくなっており、本構造によって高次モードの結合定数のみを効果的に低減できていることがわかる。なお、ここでは、回折格子占有率として25%,50%,75%,100%という4水準のみを仮定しているが、言うまでもなく本発明の適用範囲はこれらの値のみには限定されず、所望の基底モード結合定数およびモード間結合定数差が得られる範囲において、任意の値として良い。 These values are lower than those in the case of a diffraction grating occupancy of 100%, but are still high. On the other hand, the coupling constant of the higher-order mode under these conditions is smaller than that of the fundamental mode by about 100 cm -1 to several hundred cm -1 , and it can be seen that only the coupling constant of the higher-order mode can be effectively reduced by this structure. Note that here, only four levels of the diffraction grating occupancy, 25%, 50%, 75%, and 100%, are assumed, but it goes without saying that the scope of application of the present invention is not limited to these values, and any value may be used within a range in which the desired fundamental mode coupling constant and inter-mode coupling constant difference can be obtained.
また、高次モードの発振を抑制するための他の構成として、図23に示すように、メサ形状としている活性層104a(第2半導体層105)側面に、光が散乱するまたは放射する構造111,112をさらに備える構成とすることが考えられる。構造111,112は、例えば、ランダムに荒れた凹凸形状、高次の側壁回折格子、などとすることができる。図13からもわかるように、リッジ構造とした活性層104aにおける基底モードは、活性層104aによるメサの中心付近に局在化する一方で、高次モードは、活性層104aによるメサの側面付近との重なりが大きい。従って、メサ形状としている活性層104aの側面に、構造111,112を備えることで、高次モードの伝搬損失のみを選択的に増大させ、その発振を抑制することができる。
As another configuration for suppressing oscillation of the higher-order mode, as shown in FIG. 23, it is possible to further provide
以下では、本発明の構造が特徴とする1.活性層104への強い光閉じ込め、2.回折格子の高い結合定数、3.シングルモード発振性、による効果を確認するために、具体的な実施例の一つとして、本発明を図24に示すようなλ/4シフト型のDFBレーザに適用した際の発振閾値を計算する。図24は、導波方向に平行な断面を示している。このDFBレーザは、共振器106を構成する回折格子の途中(中心)に、λ/4シフト部113を備える。In the following, in order to confirm the effects of the features of the structure of the present invention, namely 1. strong light confinement in the
この半導体光デバイスをz軸に沿って見たとき、活性層104の端面は適当なパッシブ導波路141,142と光学的に結合しており、この結合箇所での光の反射はないものと仮定する。なお、パッシブ導波路141,142においては電流注入用の第3半導体層107は必要でないため、図示したように第3半導体層107を適当な長さでテーパ化して終端する構造が考えられる。When this semiconductor optical device is viewed along the z-axis, it is assumed that the end face of the
以上のようにDFB共振器外部からの反射がない理想的な状況下では、そのレーザ発振条件は以下で与えられる。 As described above, under ideal circumstances where there is no reflection from outside the DFB resonator, the laser oscillation conditions are given by:
ここでrL、rRは、各々、共振器106の中心のλ/4シフト部113からその左右を見込んだときのブラッグ反射による光の振幅反射率、Γは活性層104において光にゲインを与える部分(MQWの場合、各量子井戸の井戸層)の光閉じ込め係数、gはその(MQWの場合、各量子井戸の井戸層)材料利得、αiは内部損失である。
Here, rL and rR are the amplitude reflectance of light due to Bragg reflection when looking to the left and right of the λ/4
本計算では、厚さ100nmの活性層104の中に量子井戸が6層存在する(6-QW)としてΓを求めた。また、αiは、典型的な値である10cm-1とした。式(4)~(6)からわかるように、λ/4シフト型のDFBレーザでは、回折格子のブラッグ波長λ=λBにおいて共振条件が満たされ、通常、軸方向についてはその共振モードが安定的にシングルモード発振する。本計算でもλ=λBとし、その共振モードでの発振を仮定している。
In this calculation, Γ was calculated assuming that there are six quantum wells (6-QW) in the
式(4)は、共振条件と同時に利得と損失の釣り合いも表しており、これを満たす材料利得をg=gthと表して閾値材料利得と呼ぶ。利用する材料系にもよるが、例えばInGaAlAsやInGaAsPからなるMQWの場合、典型的には、gthが例えば500cm-1程度であれば十分に低い閾値で発振するとされている。従って以下では、gth=500cm-1を低発振閾値の目安とする。 Equation (4) expresses the balance between gain and loss as well as the resonance condition, and the material gain that satisfies this is expressed as g = g th and is called the threshold material gain. Although it depends on the material system used, for example, in the case of MQW made of InGaAlAs or InGaAsP, it is typically said that oscillation occurs at a sufficiently low threshold if g th is, for example, about 500 cm -1 . Therefore, in the following, g th = 500 cm -1 is used as a guideline for the low oscillation threshold.
一方、シングルモード発振性の目安としては、以下の式で与えられる利得損失マージンがよく用いられる。On the other hand, the gain-loss margin given by the following formula is often used as a guideline for single-mode oscillation.
ここで添え字の「main」,「side」は、各々発振するメインモード、それに付随するサイドモードを意味する。また式(9)は、共振器106のミラー損失を表す。利得損失マージンが大きいほど、メインモードでのシングルモード発振性が良好になっていくことが知られている。典型的には、利得損失マージンが例えば100cm-1もあればサイドモード抑圧比にして50dBを超えるような非常に良好なシングルモード性が得られると言われている。材料利得gは実際には各モードの共振波長(ブラッグ波長)に依存するが、ここでは光閉じ込め係数の差分による効果のみを考慮するために、gは共通的にメインモードが発振したときの閾値材料利得の値gth
TR00になる、と仮定する。従って基底モード(TE00)と高次モード(TEn0)との間でのシングルモード性を議論する場合には、以下の式で示すものとなる。
Here, the subscripts "main" and "side" mean the main mode and the side mode associated therewith, respectively, that oscillate. Moreover, formula (9) represents the mirror loss of the
以下では、式(10)で与えられるTE00モード-TEn0モード(n=1,2)間の利得損失マージンを評価している。また、以下では全ての構造において第3半導体層107幅を200nmに固定している。Below, we evaluate the gain loss margin between the TE00 mode and the TEn0 mode (n = 1, 2) given by equation (10). In addition, the width of the
まず、図2および図7の埋め込み構造のパラメータを用いて計算した基底モードの閾値材料利得、および高次モードとの利得損失マージンを図25,図26に示す。横軸は、共振器長Lcavとなっており、実線が基底モードの閾値材料利得(左側の縦軸)、破線および点線が高次モードとの利得損失マージン(右側の縦軸)である。図25は、回折格子の掘り深さが20nmの場合、図26は30nmの場合である。いずれの図でも(a)が図2の構造に、(b)が図7の構造に対応する。 First, the threshold material gain of the fundamental mode and the gain loss margin with the higher order mode calculated using the parameters of the buried structure in Fig. 2 and Fig. 7 are shown in Fig. 25 and Fig. 26. The horizontal axis is the cavity length Lcav , the solid line is the threshold material gain of the fundamental mode (vertical axis on the left), and the dashed and dotted lines are the gain loss margin with the higher order mode (vertical axis on the right). Fig. 25 shows the case where the grating is dug to a depth of 20 nm, and Fig. 26 shows the case where the grating is dug to a depth of 30 nm. In both figures, (a) corresponds to the structure in Fig. 2, and (b) corresponds to the structure in Fig. 7.
まず、基底モードの閾値材料利得について見ると、いずれの場合においても、およそ40μm強から60μm強の短い共振器長において500cm-1の低い閾値材料利得が得られていることがわかる。このような低閾値で発振する短共振器レーザが実現可能であるのは、強い光閉じ込めおよび高い結合定数が得られているからにほかならない。一方、利得損失マージンについては、gth=500cm-1となる共振器長において、いずれの場合でも正の値が得られている。特に(b)では100cm-1以上のマージンが容易に得られることがわかる。(a)では(b)ほど大きなマージンは得られていないが、図中にも値を示したようにこれらの埋め込み構造においては高次モードとのブラッグ波長の離調が50nm以上の大きな値となっているため、(a)でも十分に良好なシングルモード性が得られると期待される。 First, looking at the threshold material gain of the fundamental mode, it can be seen that in all cases, a low threshold material gain of 500 cm −1 is obtained at a short cavity length of approximately 40 μm to 60 μm. The reason why a short cavity laser that oscillates at such a low threshold is possible is none other than the fact that strong optical confinement and a high coupling constant are obtained. On the other hand, regarding the gain loss margin, a positive value is obtained in all cases at a cavity length where g th =500 cm −1 . It can be seen that a margin of 100 cm −1 or more can be easily obtained in particular in (b). Although a margin as large as that in (a) is not obtained in (b), as shown in the figure, in these buried structures, the Bragg wavelength detuning with the higher order mode is a large value of 50 nm or more, so it is expected that a sufficiently good single mode characteristic can be obtained even in (a).
次に、図12,図19のMQW構造の活性層104によるリッジ構造のパラメータを用いて同様に計算した基底モードの、閾値材料利得および高次モードとの利得損失マージンを図27~図32に示す。図27,図28では、活性層104、第2半導体層105のメサ幅が0.8μmである。図29,30では、活性層104、第2半導体層105のメサ幅が2.0μmである。図31,32では、活性層104、第2半導体層105のメサ幅が4.0μmである。また図27,図29,図31では回折格子の掘り深さが20nm、図28,図30,図32では回折格子の掘り深さが30nmである。
Next, the threshold material gain and the gain loss margin with respect to the higher modes of the fundamental mode, calculated in the same manner using the parameters of the ridge structure of the
まず図27,図28(活性層104、第2半導体層105のメサ幅が0.8μm)を見ると、特に(b)の回折格子占有率50%の場合において、低い発振閾値と大きな利得損失マージンがバランス良く得られることがわかる。(b)でgth=500cm-1となる共振器長は、およそ50μm弱から60μm強の短い値であり、やはり低消費電力な短共振器レーザが実現可能である。
27 and 28 (where the mesa width of the
一方で、モード間でのブラッグ波長の離調を考えると、図中にも示したように、活性層104、第2半導体層105のメサ幅が0.8μmと比較的狭いため、これによって100nm以上に非常に大きな離調が得られており、Γおよびκの差分に由来する利得損失マージンは必ずしも必要ではないと考えられる。この場合、さらなる短共振器化のために、(d)の回折格子占有率100%を採用することができる。(d)を採用した場合には、gth=500cm-1となる共振器長は、およそ40μm弱から50μmにまで短尺化される。
On the other hand, when considering the detuning of the Bragg wavelength between modes, as shown in the figure, the mesa width of the
次に、図29,図30(活性層104、第2半導体層105のメサ幅が2.0μm)および図31,図32(活性層104、第2半導体層105のメサ幅が4.0μm)では、ブラッグ波長の離調は各々約30nm、約10nm程度の比較的小さな値に留まっており、安定的なシングルモード発振のためには十分な利得損失マージンが必要と考えられる。これらのように、活性層104、第2半導体層105のメサ幅が比較的広い場合であっても、やはり(b)の回折格子占有率50%の場合において、低い発振閾値と大きな利得損失マージンがバランス良く得られることがわかる。
Next, in Figures 29 and 30 (
一方、(d)の回折格子占有率100%では利得損失マージンが負の値となってしまっている。これはすなわち、高次モードの方が発振しやすいことを意味しており、基底モードでの安定的なシングルモード発振を得ることは困難である。このことからも、本発明が提案する図18の回折格子構造の効果が理解できる。On the other hand, at a diffraction grating occupancy of 100% in (d), the gain loss margin is a negative value. This means that higher-order modes are more likely to oscillate, and it is difficult to obtain stable single-mode oscillation in the fundamental mode. This also explains the effect of the diffraction grating structure proposed by the present invention in Figure 18.
(b)の場合においてgth=500cm-1となる共振器長は、活性層104、第2半導体層105のメサ幅2.0μmではおよそ40μm弱から50μm強、活性層104、第2半導体層105のメサ幅4.0μmではおよそ40μm強から50μm強となっており、やはり低発振閾値な短共振器レーザが実現可能であることがわかる。さらにそのときの利得損失マージンはいずれの場合でも十分に大きく、良好なシングルモード性が併せて得られることがわかる。
In the case of (b), the cavity length at which g th =500 cm -1 is approximately just under 40 μm to just over 50 μm when the mesa width of the
なお、この説明では、典型的な実施例として図24に示したようなλ/4シフト型のDFBレーザを想定したが、本発明のベースとなる構造は、活性層104のxy断面における回折格子構造であるから、z軸方向まで含めたデバイス構造の適用対象はここで示した実施例に限定されず、活性層104に回折格子を有するようなデバイス構造一般に適用可能である。In this explanation, a λ/4 shifted DFB laser as shown in Figure 24 has been assumed as a typical example, but since the basic structure of the present invention is a diffraction grating structure in the xy cross section of the
他の典型的な実施例としては以下のようなものも挙げられる。 Other typical examples include the following:
1.DRレーザ構造:活性層104にはシフトのない均一な回折格子を一様に形成して均一DFB構造とし、その上でリア側のパッシブ導波路に分布ブラッグ反射器(DBR)を形成することで、シングルモード発振およびフロント側のみからの光出力を可能とした構造。
1. DR laser structure: A uniform diffraction grating without shift is uniformly formed in the
2.2セクションDFBレーザ構造:ブラッグ波長および長さの異なる2つのDFBセクションを連結することで、シングルモード発振およびフロント側とリア側での非対称な光取り出し(フロント側からより多くの光を出力させる)を可能とした構造。 2. Two-section DFB laser structure: A structure that enables single-mode oscillation and asymmetric light extraction at the front and rear sides (outputting more light from the front side) by connecting two DFB sections with different Bragg wavelengths and lengths.
3.アポダイズドDFBレーザ構造:DFB領域における回折格子のピッチ、結合定数、等価屈折率などをz軸に沿って連続的に変化させることで、発振モード強度分布のz軸方向の偏りが小さいモードギャップ型の共振器を形成し、λ/4シフト型DFBレーザ構造で顕著な空間的ホールバーニングの影響を低減した構造。ピッチの連続的な変化は、回折格子の描画パターンによって直接的に制御可能である。結合定数の連続的な変化は、例えば回折格子の凹凸のデューティ比を変化させることで制御可能である。等価屈折率の連続的な変化は、例えば第3半導体層107の幅や活性層104の幅、第2半導体層105のメサの幅がz軸方向に沿って連続的に変化するような構造を作製することで制御可能である。
3. Apodized DFB laser structure: A structure in which the pitch, coupling constant, equivalent refractive index, etc. of the diffraction grating in the DFB region are continuously changed along the z-axis to form a mode gap type resonator with a small bias in the z-axis direction of the oscillation mode intensity distribution, thereby reducing the effect of spatial hole burning, which is prominent in λ/4 shifted DFB laser structures. The continuous change in pitch can be directly controlled by the drawing pattern of the diffraction grating. The continuous change in coupling constant can be controlled, for example, by changing the duty ratio of the unevenness of the diffraction grating. The continuous change in equivalent refractive index can be controlled, for example, by creating a structure in which the width of the
上述した実施の形態における特徴について以下に示す。The features of the above-mentioned embodiment are as follows:
1.活性層104の上方に、InGaAsPなどの混晶半導体による第2半導体層105を配置することで、InPなどの第3半導体層107を構成する半導体との間での屈折率差を稼いでいる点。これによって、縦型薄膜構造でありながらも、活性層104の近傍における回折格子形成が可能となり、強い光閉じ込めと高い結合定数を両立することができる。
1. By disposing the
2.断面構造、回折格子形状の適切な設計によってm高次モードの発振を効果的に抑制し、安定的にシングルモード発振が得られる構造を提案している点。従来、薄膜構造における表面回折格子の形成は、薄膜上面をx方向について全域掘り落としたような構造が標準的であり、高次モードの発振抑制は導波モードのカットオフによって担保されてきた。上述した実施の形態では、基底モードとの重なりのみが大きくなるような局所的な回折格子構造を新たに提案することで、カットオフ条件が満たされていないマルチモードの断面構造であっても優れたシングルモード発振性が得られるようにしている。これは、x方向の光閉じ込めが強くマルチモード性が強いMQWリッジ構造の活性層104にとって特に重要なポイントである。
2. The structure proposed effectively suppresses the oscillation of m higher-order modes by appropriately designing the cross-sectional structure and diffraction grating shape, and a stable single-mode oscillation is obtained. Conventionally, the formation of a surface diffraction grating in a thin-film structure has been standardized to have a structure in which the entire upper surface of the thin film is dug out in the x direction, and the suppression of oscillation of higher-order modes has been ensured by the cutoff of the guided mode. In the above-mentioned embodiment, a new local diffraction grating structure in which only the overlap with the fundamental mode is large is proposed, so that excellent single-mode oscillation can be obtained even with a multi-mode cross-sectional structure in which the cutoff condition is not satisfied. This is a particularly important point for the
以上に説明したように、本発明によれば、活性層の上下方向に電流が印加される縦型薄膜構造の半導体光デバイスにおいて、活性層と第3半導体層との間に、これらとは異なる屈折率の第2半導体層を設け、第2半導体層に回折格子を形成したので、縦型薄膜構造の半導体光デバイスで、強い光閉じ込めと高い結合定数とが両立できるようになる。As described above, according to the present invention, in a semiconductor optical device with a vertical thin-film structure in which current is applied in the vertical direction of the active layer, a second semiconductor layer having a refractive index different from that of the active layer and a third semiconductor layer is provided between the active layer and the third semiconductor layer, and a diffraction grating is formed in the second semiconductor layer, thereby making it possible to achieve both strong optical confinement and a high coupling constant in a semiconductor optical device with a vertical thin-film structure.
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。It is to be understood that the present invention is not limited to the embodiments described above, and that many modifications and combinations can be implemented by a person having ordinary knowledge in the art within the technical concept of the present invention.
101…基板、102…下部クラッド層、103…第1半導体層、104…活性層、105…第2半導体層、106…共振器、107…第3半導体層、108…上部クラッド層、109…第6半導体層、110…コンタクト層、121…第4半導体層、122…第5半導体層、131…第1電極、132…第2電極。 101...substrate, 102...lower cladding layer, 103...first semiconductor layer, 104...active layer, 105...second semiconductor layer, 106...resonator, 107...third semiconductor layer, 108...upper cladding layer, 109...sixth semiconductor layer, 110...contact layer, 121...fourth semiconductor layer, 122...fifth semiconductor layer, 131...first electrode, 132...second electrode.
Claims (5)
前記下部クラッド層の上に形成された第1導電型のIII-V族化合物半導体からなる第1半導体層と、
前記第1半導体層の上に形成されたIII-V族化合物半導体からなる活性層と、
前記活性層の上に形成されたIII-V族化合物半導体からなる第2半導体層と、
前記第2半導体層の上面に形成された回折格子からなる共振器と、
前記活性層の形成領域の上方に形成され、前記活性層の延在方向に延在するメサ形状とされた第2導電型のIII-V族化合物半導体からなる第3半導体層と、
前記第3半導体層の両側面を覆って前記第2半導体層の上に形成された上部クラッド層と、
前記第1半導体層に電気的に接続する第1電極と、
前記第3半導体層に電気的に接続する第2電極と
を備え、
前記第3半導体層のメサ幅は、前記活性層の幅より小さくされ、
前記第1半導体層および前記第3半導体層は、InPから構成され、
前記第2半導体層は、InGaAsPから構成されていることを特徴とする半導体光デバイス。 a lower cladding layer formed on the substrate;
a first semiconductor layer made of a first conductivity type III-V compound semiconductor formed on the lower cladding layer;
an active layer made of a III-V compound semiconductor formed on the first semiconductor layer;
a second semiconductor layer made of a III-V compound semiconductor formed on the active layer;
a resonator formed of a diffraction grating formed on an upper surface of the second semiconductor layer;
a third semiconductor layer made of a second conductivity type III-V compound semiconductor, the third semiconductor layer being formed above a region where the active layer is formed and having a mesa shape extending in the extending direction of the active layer;
an upper cladding layer formed on the second semiconductor layer to cover both side surfaces of the third semiconductor layer;
A first electrode electrically connected to the first semiconductor layer;
a second electrode electrically connected to the third semiconductor layer;
a mesa width of the third semiconductor layer is made smaller than a width of the active layer ;
the first semiconductor layer and the third semiconductor layer are made of InP;
2. A semiconductor optical device, comprising: a first semiconductor layer and a second semiconductor layer ;
前記下部クラッド層の上に形成された第1導電型のIII-V族化合物半導体からなる第1半導体層と、a first semiconductor layer made of a first conductivity type III-V compound semiconductor formed on the lower cladding layer;
前記第1半導体層の上に形成されたIII-V族化合物半導体からなる活性層と、an active layer made of a III-V compound semiconductor formed on the first semiconductor layer;
前記活性層の上に形成されたIII-V族化合物半導体からなる第2半導体層と、a second semiconductor layer made of a III-V compound semiconductor formed on the active layer;
前記第2半導体層の上面に形成された回折格子からなる共振器と、a resonator formed of a diffraction grating formed on an upper surface of the second semiconductor layer;
前記活性層の形成領域の上方に形成され、前記活性層の延在方向に延在するメサ形状とされた第2導電型のIII-V族化合物半導体からなる第3半導体層と、a third semiconductor layer made of a second conductivity type III-V compound semiconductor, the third semiconductor layer being formed above a region where the active layer is formed and having a mesa shape extending in the extending direction of the active layer;
前記第3半導体層の両側面を覆って前記第2半導体層の上に形成された上部クラッド層と、an upper cladding layer formed on the second semiconductor layer to cover both side surfaces of the third semiconductor layer;
前記第1半導体層に電気的に接続する第1電極と、A first electrode electrically connected to the first semiconductor layer;
前記第3半導体層に電気的に接続する第2電極とa second electrode electrically connected to the third semiconductor layer;
を備え、Equipped with
前記第3半導体層のメサ幅は、前記活性層の幅より小さくされ、a mesa width of the third semiconductor layer is made smaller than a width of the active layer;
前記活性層の側面に形成された、光が散乱するまたは放射する構造をさらに備えることを特徴とする半導体光デバイス。A semiconductor optical device further comprising a light scattering or emitting structure formed on a side surface of the active layer.
前記活性層によるメサの両側面に接して前記第1半導体層の上に形成された非導電性または低導電性のIII-V族化合物半導体からなる第4半導体層および第5半導体層をさらに備える
ことを特徴とする半導体光デバイス。 3. The semiconductor optical device according to claim 1,
a fourth semiconductor layer and a fifth semiconductor layer, each made of a non-conductive or low-conductive III-V compound semiconductor, formed on the first semiconductor layer in contact with both side surfaces of the mesa defined by the active layer.
前記第4半導体層および前記第5半導体層は、InPから構成されていることを特徴とする半導体光デバイス。 4. The semiconductor optical device according to claim 3,
2. A semiconductor optical device, comprising: the fourth semiconductor layer and the fifth semiconductor layer made of InP.
前記第2電極は、コンタクト層を介して前記第3半導体層の上に形成されていることを特徴とする半導体光デバイス。 The semiconductor optical device according to any one of claims 1 to 4 ,
The second electrode is formed on the third semiconductor layer via a contact layer.
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|---|---|---|---|---|
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003069153A (en) | 2001-08-29 | 2003-03-07 | Hitachi Ltd | Semiconductor optical device and integrated optical semiconductor device |
| WO2005093919A1 (en) | 2004-03-26 | 2005-10-06 | Nichia Corporation | Nitride semiconductor laser element |
| JP2011091164A (en) | 2009-10-21 | 2011-05-06 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Semiconductor integrated element |
| JP2011134870A (en) | 2009-12-24 | 2011-07-07 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Ridge semiconductor laser and method of manufacturing the same |
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