JP7709640B2 - Semiconductor laser - Google Patents
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Description
本発明は、半導体レーザに関する。 The present invention relates to a semiconductor laser.
インターネットなどにおける通信トラフィックの増加に伴い、光ファイバ伝送の高速・大容量化が求められている。この要求に対し、コヒーレント光通信技術およびデジタル信号処理技術を利用したデジタルコヒーレント通信技術の開発が進展し、100Gシステムが実用化されている。このような通信システムでは、送信用および受信用局発光源として、単一モードの半導体レーザが必要とされる。 The increase in communication traffic on the Internet and elsewhere has created a demand for faster and larger capacity optical fiber transmission. In response to this demand, progress has been made in the development of digital coherent communication technology that utilizes coherent optical communication technology and digital signal processing technology, and 100G systems have been put into practical use. In such communication systems, single-mode semiconductor lasers are required as local light sources for transmission and reception.
単一モード化のための光共振器の代表的な構造として、λ/4位相シフトを有する回折格子が用いられてきた。この構造では、共振器内に設けられる回折格子の一部に形成された位相シフタにより位相反転させ、ブラッグ波長における単一モード発振を可能とする。このレーザは、λ/4シフトDFB(Distributed Feedback)レーザと呼ばれ、すでに実用化されている。また、伝送距離の長延化および伝送容量の拡大に向けては、DFBレーザの高光出力化および狭線幅化が求められる。A diffraction grating with a λ/4 phase shift has been used as a typical structure for an optical resonator to achieve a single mode. In this structure, a phase shifter formed in part of the diffraction grating provided in the resonator inverts the phase, enabling single-mode oscillation at the Bragg wavelength. This type of laser is called a λ/4 shifted DFB (Distributed Feedback) laser, and is already in practical use. In addition, in order to extend the transmission distance and expand the transmission capacity, DFB lasers are required to have higher optical output and narrower linewidth.
DFBレーザの高光出力化および狭線幅化のためには、DFBレーザの長尺化が有効である。しかしながら、DFBレーザの長尺化は、次の2つの問題により制限される。In order to increase the optical output and narrow the linewidth of a DFB laser, it is effective to lengthen the DFB laser. However, lengthening a DFB laser is limited by the following two problems:
第1に、DFBレーザを長尺化すると、空間的ホールバーニングの影響により発振モードが不安定になるという問題がある。DFBレーザを長尺化すると、位相シフト領域に光が強く局在する。この強い光の局在領域では、キャリアが多く消費されることからキャリア密度が低下する。このように、レーザ内の光強度分布により、共振器内にキャリア分布が発生する現象を空間ホールバーニングと呼ぶ。キャリア密度の変化は、屈折率の変化をもたらす。これにより、共振器内部で屈折率に分布が発生する。屈折率の分布は、光共振器の反射率の低下やモード選択性の低下につながり、レーザの発振モードが不安定になる。 First, when a DFB laser is lengthened, there is a problem that the oscillation mode becomes unstable due to the effects of spatial hole burning. When a DFB laser is lengthened, light is strongly localized in the phase shift region. In this region of strong light localization, many carriers are consumed, resulting in a decrease in carrier density. This phenomenon in which a carrier distribution occurs within the resonator due to the light intensity distribution within the laser is called spatial hole burning. Changes in carrier density result in changes in the refractive index. This causes a distribution in the refractive index inside the resonator. The distribution of the refractive index leads to a decrease in the reflectivity of the optical resonator and a decrease in mode selectivity, making the laser oscillation mode unstable.
第2に、DFBレーザを長尺化すると、共振器としての反射率が増加し、共振器内部での損失の影響を受けやすくなり、外部量子効率が低下するという問題がある。この問題により、結果として、高光出力化が制限される。Secondly, when the DFB laser is lengthened, the reflectivity of the resonator increases, making it more susceptible to losses inside the resonator and reducing the external quantum efficiency. This problem ultimately limits the ability to increase optical output.
これら問題の解決策として、DFBレーザの長尺化に伴い回折格子の結合係数を低下させることが有効である。すなわち、回折格子の結合係数を低下させることで、DFBレーザを長尺化させつつ共振器としての反射率を一定に保ち、上記問題が回避できる。An effective solution to these problems is to reduce the coupling coefficient of the diffraction grating as the DFB laser is lengthened. In other words, by reducing the coupling coefficient of the diffraction grating, the reflectivity of the resonator can be kept constant while the DFB laser is lengthened, and the above problems can be avoided.
一般に、回折格子は、半導体レーザを構成するIII-V族化合物半導体からなる活性層の一部に、周期的な凹凸を形成することでなされる(非特許文献1参照)。この凹凸の変化が小さければ、回折格子の結合係数は低下する。Generally, a diffraction grating is made by forming periodic irregularities in part of an active layer made of III-V compound semiconductors that make up a semiconductor laser (see Non-Patent Document 1). If the change in this irregularity is small, the coupling coefficient of the diffraction grating decreases.
しかしながら、回折格子の形成においては、極めて微細な加工が必要であり、凹凸の変化を小さくすることには限界がある。すなわち、結合係数の低減には限界があり、それに伴いDFBレーザの長尺化には限界がある。例えば、結合係数を20cm-1にするための回折格子における凹凸の変化は、5nm以下と極めて小さく、製造上難しいことは明らかである。 However, the formation of a diffraction grating requires extremely fine processing, and there is a limit to how small the change in the unevenness can be made. In other words, there is a limit to how small the coupling coefficient can be, and therefore there is a limit to how long the DFB laser can be made. For example, the change in the unevenness in a diffraction grating to make the coupling coefficient 20 cm -1 is extremely small, at 5 nm or less, and it is clearly difficult to manufacture.
上述したように、DFBレーザの高光出力および狭線幅化に向けては、DFBレーザの長尺化が有効であるが、従来の技術では、DFBレーザの長尺化が、容易に実施できないという問題があった。As mentioned above, increasing the length of a DFB laser is an effective way to increase the optical output and narrow the linewidth of the DFB laser, but with conventional technology, there was a problem in that it was not easy to increase the length of a DFB laser.
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、DFBレーザの長尺化が容易に実施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 make it easier to lengthen DFB lasers.
本発明に係る半導体レーザは、基板の上に形成された第1クラッド層と、第1クラッド層の上に、導波方向に延在するコア形状に形成された活性層と、活性層を挾んで活性層に接して形成されたp型半導体層およびn型半導体層と、活性層の上に形成された第2クラッド層と、p型半導体層およびn型半導体層に接続するp電極およびn電極とを備え、共振器内に回折格子を備える半導体レーザであって、回折格子は、共振器の第1クラッド層の側または第2クラッド層の側に形成され、かつ、共振器のコアと第1クラッド層または第2クラッド層との境界領域より離れて形成されている。The semiconductor laser according to the present invention comprises a first cladding layer formed on a substrate, an active layer formed on the first cladding layer in a core shape extending in the waveguiding direction, a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer formed in contact with the active layer and sandwiching the active layer, a second cladding layer formed on the active layer, and a p-electrode and an n-electrode connected to the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, and is a semiconductor laser with a diffraction grating in a resonator, the diffraction grating being formed on the first cladding layer side or the second cladding layer side of the resonator and being formed away from the boundary region between the core of the resonator and the first cladding layer or the second cladding layer.
また、半導体レーザの製造方法は、上述した半導体レーザの製造方法であって、回折格子と共振器との間の層の厚さを制御することで、回折格子と共振器との間隔を制御する。 Furthermore , a method for manufacturing a semiconductor laser is the above-mentioned method for manufacturing a semiconductor laser, in which the thickness of the layer between the diffraction grating and the resonator is controlled to control the distance between the diffraction grating and the resonator.
以上説明したように、本発明によれば、回折格子を、共振器のコアと第1クラッド層または第2クラッド層との境界領域より離して形成したので、DFBレーザの長尺化が容易に実施できるようになる。As described above, according to the present invention, the diffraction grating is formed away from the boundary region between the core of the resonator and the first cladding layer or the second cladding layer, making it easy to lengthen the DFB laser.
以下、本発明の実施の形態に係る半導体レーザについて図1を参照して説明する。この半導体レーザは、基板101の上に、導波方向に延在するコア形状に形成された活性層103を備え、共振器内に回折格子110を備えるDFB(Distributed Feedback)レーザである。A semiconductor laser according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to Figure 1. This semiconductor laser is a distributed feedback (DFB) laser that has an active layer 103 formed in a core shape extending in the waveguiding direction on a substrate 101 and has a diffraction grating 110 in the resonator.
この半導体レーザは、まず、基板101の上に第1クラッド層102が形成され、第1クラッド層102の上に、活性層103を備える。基板101は、例えば、Siから構成され、第1クラッド層102は、例えば、酸化シリコンから構成されている。また、活性層103を挾んで活性層103に接して形成されたp型半導体層104およびn型半導体層105を備える。また、活性層103の上に形成された第2クラッド層106と、p型半導体層104およびn型半導体層105に接続するp電極107およびn電極108とを備える。This semiconductor laser first has a first cladding layer 102 formed on a substrate 101, and an active layer 103 on the first cladding layer 102. The substrate 101 is made of, for example, Si, and the first cladding layer 102 is made of, for example, silicon oxide. The semiconductor laser also has a p-type semiconductor layer 104 and an n-type semiconductor layer 105 formed in contact with the active layer 103, sandwiching the active layer 103. The semiconductor laser also has a second cladding layer 106 formed on the active layer 103, and a p-electrode 107 and an n-electrode 108 connected to the p-type semiconductor layer 104 and the n-type semiconductor layer 105.
この例では、p型半導体層104およびn型半導体層105は、例えば、InPからなる半導体層121に不純物を導入することで形成されている。また、p型半導体層104とn型半導体層105との間において、活性層103は、半導体層121に埋め込まれて形成されている。In this example, the p-type semiconductor layer 104 and the n-type semiconductor layer 105 are formed by introducing impurities into a semiconductor layer 121 made of InP, for example. The active layer 103 is formed between the p-type semiconductor layer 104 and the n-type semiconductor layer 105 and is embedded in the semiconductor layer 121.
上述した構成に加え、実施の形態に係る半導体レーザは、回折格子110が、共振器の第1クラッド層102の側または第2クラッド層106の側に形成され、かつ、共振器のコアと第1クラッド層102または第2クラッド層106との境界領域より離れて形成されている。実施の形態に係る半導体レーザは、回折格子110が、厚さ方向(積層方向)に、第1クラッド層102または第2クラッド層106の中に配置される。この例では、回折格子110が、共振器の第2クラッド層106の側に形成され、かつ共振器のコアとなる活性層103と第1クラッド層102との境界領域より離れて形成されている。境界領域とは、例えば、第2クラッド層106と活性層103との間の領域である。In addition to the above-mentioned configuration, in the semiconductor laser according to the embodiment, the diffraction grating 110 is formed on the first cladding layer 102 side or the second cladding layer 106 side of the resonator, and is formed away from the boundary region between the core of the resonator and the first cladding layer 102 or the second cladding layer 106. In the semiconductor laser according to the embodiment, the diffraction grating 110 is disposed in the first cladding layer 102 or the second cladding layer 106 in the thickness direction (stacking direction). In this example, the diffraction grating 110 is formed on the second cladding layer 106 side of the resonator, and is formed away from the boundary region between the active layer 103, which is the core of the resonator, and the first cladding layer 102. The boundary region is, for example, the region between the second cladding layer 106 and the active layer 103.
ここで、従来の横方向電流注入型のDFBレーザについて、図2Aを参照して説明する。従来のDFBレーザは、図1を用いて説明した半導体レーザとほぼ同様の構成を備える、横方向電流注入型のDFBレーザである(非特許文献1参照)。従来のDFBレーザは、共振器内の回折格子310が、活性層103と第2クラッド層106との境界領域に形成されている。図2Aに示す例では、回折格子310は、半導体層121と第2クラッド層106との界面に形成されている。回折格子310は、活性層103の上部において、半導体層121に形成された、導波方向に配列される周期的な溝より構成されている。また、図2Bに示すように、半導体層121の上に接して形成したSiNの層に形成された周期的な溝より、回折格子310aとする構成もある。Here, a conventional lateral current injection type DFB laser will be described with reference to FIG. 2A. The conventional DFB laser is a lateral current injection type DFB laser having a configuration similar to that of the semiconductor laser described with reference to FIG. 1 (see Non-Patent Document 1). In the conventional DFB laser, a diffraction grating 310 in the resonator is formed in the boundary region between the active layer 103 and the second cladding layer 106. In the example shown in FIG. 2A, the diffraction grating 310 is formed at the interface between the semiconductor layer 121 and the second cladding layer 106. The diffraction grating 310 is formed in the semiconductor layer 121 above the active layer 103 and is composed of periodic grooves arranged in the waveguiding direction. In addition, as shown in FIG. 2B, there is also a configuration in which the diffraction grating 310a is formed from periodic grooves formed in a SiN layer formed in contact with the semiconductor layer 121.
次に、上述した各半導体レーザ(DFBレーザ)における、各々の回折格子の結合係数について、計算した結果を図3A,図3B,図3Cに示す。図3Aは、図2Aを用いて説明した従来のDFBレーザにおける計算結果である。図3Bは、図2Bを用いて説明した従来のDFBレーザにおける計算結果である。図3Cは、図1を用いて説明した実施の形態に係る半導体レーザにおける計算結果である。Next, the calculation results for the coupling coefficients of each diffraction grating in each of the semiconductor lasers (DFB lasers) described above are shown in Figures 3A, 3B, and 3C. Figure 3A shows the calculation results for the conventional DFB laser described using Figure 2A. Figure 3B shows the calculation results for the conventional DFB laser described using Figure 2B. Figure 3C shows the calculation results for the semiconductor laser according to the embodiment described using Figure 1.
例えば、図3Aに示すように、半導体層121に溝を形成して回折格子310とする場合、回折格子310の溝の深さ(depth)が、僅か10nmであっても結合係数(kappa)は360cm-1と大きな値となる。この場合、安定的な単一モードを実現するためには、DFB長としては50μm程度となり、高光出力および狭線幅は実現できない。 3A, when a diffraction grating 310 is formed by forming grooves in the semiconductor layer 121, the coupling coefficient (kappa) is as large as 360 cm -1 even if the groove depth of the diffraction grating 310 is only 10 nm. In this case, in order to realize a stable single mode, the DFB length is about 50 μm, and high optical output and narrow linewidth cannot be realized.
また、図3Bに示すように、半導体層121の上に接して形成したSiNの層に回折格子310aを形成する図2Bの場合、図2Aの構成に比較して低い結合係数が実現できる。この構成では、窒化シリコンの層の厚さが、回折格子310aの溝深さとなるが、例えば回折格子310aの溝の深さ(thickness)が10nmのとき、結合係数は75cm-1となる。しかしながらこの場合においても、安定的な単一モードを実現するためには、DFB長としては240μm程度が限度となり、同様に高光出力および狭線幅は望めない。 2B, in which the diffraction grating 310a is formed on a SiN layer formed on and in contact with the semiconductor layer 121, a lower coupling coefficient can be achieved compared to the configuration of FIG. 2A. In this configuration, the thickness of the silicon nitride layer is the groove depth of the diffraction grating 310a, and when the groove depth of the diffraction grating 310a is 10 nm, for example, the coupling coefficient is 75 cm -1 . However, even in this case, the DFB length is limited to about 240 μm in order to achieve a stable single mode, and high optical output and narrow linewidth cannot be expected.
これらに対し、実施の形態によれば、図3Cに示すように、より小さな結合係数を実現することができる。図3Cでは、横軸に、活性層103と回折格子110との空間的な間隔(gap)を取っている。図3Cに示すように、活性層103と回折格子110との間隔を大きくすることで、結合係数は0cm-1に近づきながら減少することが分かる。 In contrast, according to the embodiment, a smaller coupling coefficient can be realized as shown in Fig. 3C, in which the horizontal axis represents the spatial gap between the active layer 103 and the diffraction grating 110. As shown in Fig. 3C, by increasing the gap between the active layer 103 and the diffraction grating 110, the coupling coefficient decreases as it approaches 0 cm -1 .
従って、任意のDFB長を決め、決定したDFB長に合わせて最適な間隔を設定することで、回折格子110の反射率を上げすぎることなく、高光出力および狭線幅レーザが実現できる。例えば、間隔を300nmとすると結合係数は1cm-1となるため、DFB長としては10mmとすることが可能となる。この長さでは、従来よりも遥かに高光出力および狭線幅化が望める。 Therefore, by determining an arbitrary DFB length and setting an optimal spacing according to the determined DFB length, a high optical output and narrow linewidth laser can be realized without excessively increasing the reflectance of the diffraction grating 110. For example, if the spacing is set to 300 nm, the coupling coefficient becomes 1 cm -1 , so the DFB length can be set to 10 mm. With this length, a much higher optical output and narrower linewidth than conventional ones can be expected.
次に、本発明の実施の形態に係る他の半導体レーザについて、図4A,図4B,図4C,図4D,図4Eを参照して説明する。Next, other semiconductor lasers relating to embodiments of the present invention will be described with reference to Figures 4A, 4B, 4C, 4D, and 4E.
例えば、図4Aに示すように、活性層103と光結合可能な状態で第1クラッド層102に埋め込まれて、活性層103に沿って延在するコア形状に形成された光結合層111をさらに備えることができる。この例では、回折格子110は、光結合層111が形成されていない側の第2クラッド層106に埋め込まれて形成されている。For example, as shown in FIG. 4A, an optical coupling layer 111 may be further provided that is embedded in the first cladding layer 102 in a state in which it can be optically coupled to the active layer 103 and is formed in a core shape extending along the active layer 103. In this example, the diffraction grating 110 is embedded in the second cladding layer 106 on the side where the optical coupling layer 111 is not formed.
また例えば、図4Bに示すように、回折格子110aは、光結合層111が形成される側の第1クラッド層102に埋め込まれて形成したものとすることができる。この例では、回折格子110aは、活性層103と光結合層111との間に形成されている。この場合、光結合層111および活性層103の両者(共振器)とクラッド層との境界領域より離れた箇所に、回折格子110aを配置する。光結合層111とクラッド層との境界領域は、光結合層111とクラッド層との界面となる。 For example, as shown in FIG. 4B, the diffraction grating 110a can be formed by being embedded in the first cladding layer 102 on the side where the optical coupling layer 111 is formed. In this example, the diffraction grating 110a is formed between the active layer 103 and the optical coupling layer 111. In this case, the diffraction grating 110a is disposed at a location away from the boundary region between both the optical coupling layer 111 and the active layer 103 (resonator) and the cladding layer. The boundary region between the optical coupling layer 111 and the cladding layer is the interface between the optical coupling layer 111 and the cladding layer.
また例えば、図4Cに示すように、回折格子110bは、光結合層111が形成される側の第2クラッド層106に埋め込まれて形成したものとすることができる。この例においても、回折格子110bは、活性層103と光結合層111との間に形成されている。4C, the diffraction grating 110b can be embedded in the second cladding layer 106 on the side where the optical coupling layer 111 is formed. In this example, the diffraction grating 110b is also formed between the active layer 103 and the optical coupling layer 111.
また例えば、図4Dに示すように、回折格子110cは、光結合層111が形成される側の第1クラッド層102に埋め込まれて形成し、回折格子110bは、光結合層111から見て、活性層103が形成されていない側に形成されたものとすることができる。また、図4Eに示すように、回折格子110dは、光結合層111aが形成される側の第2クラッド層106に埋め込まれて形成し、回折格子110dは、光結合層111aから見て、活性層103が形成されていない側に形成されたものとすることができる。4D, the diffraction grating 110c can be embedded in the first cladding layer 102 on the side where the optical coupling layer 111 is formed, and the diffraction grating 110b can be formed on the side where the active layer 103 is not formed, as viewed from the optical coupling layer 111. As shown in FIG. 4E, the diffraction grating 110d can be embedded in the second cladding layer 106 on the side where the optical coupling layer 111a is formed, and the diffraction grating 110d can be formed on the side where the active layer 103 is not formed, as viewed from the optical coupling layer 111a.
また、回折格子110,回折格子110a,回折格子110b,回折格子110c,回折格子110dは、導波方向に光結合層111と同じ幅に形成されたものとすることができる。 In addition, the diffraction gratings 110, 110a, 110b, 110c, and 110d can be formed to have the same width as the optical coupling layer 111 in the waveguiding direction.
上述したように、光結合層111を設けることで、活性層103と光結合層111とを合わせ、導波路モードとしてスーパーモードが形成される(参考文献)。このため、光結合層111の幅や厚さを調整することで、活性層103やp型半導体層104、n型半導体層105における光閉じ込めを自在に調整することができる。例えば、光結合層111の幅を広げ、光結合層111からなる光導波路の実効屈折率を、活性層103による光導波路(利得導波路)に対して相対的に高めると、光結合層111からなる光導波路への光閉じ込めが増大し、一方、活性層103やp型半導体層104、n型半導体層105への光閉じ込めは減少する。これは、光結合層111を備えない半導体レーザと比較して、光の吸収損失を低減させることができ、外部量子効率の増加に有効であることが知られている(参考文献)。As described above, by providing the optical coupling layer 111, the active layer 103 and the optical coupling layer 111 are combined to form a supermode as a waveguide mode (reference). Therefore, by adjusting the width and thickness of the optical coupling layer 111, the optical confinement in the active layer 103, the p-type semiconductor layer 104, and the n-type semiconductor layer 105 can be freely adjusted. For example, if the width of the optical coupling layer 111 is widened and the effective refractive index of the optical waveguide made of the optical coupling layer 111 is increased relative to the optical waveguide (gain waveguide) made of the active layer 103, the optical confinement in the optical waveguide made of the optical coupling layer 111 increases, while the optical confinement in the active layer 103, the p-type semiconductor layer 104, and the n-type semiconductor layer 105 decreases. This is known to be effective in reducing the optical absorption loss compared to a semiconductor laser without the optical coupling layer 111 and increasing the external quantum efficiency (reference).
以下では、図4Eを用いて説明した光結合層111aを有する構造において、回折格子110dによる効果を図5A,図5B,図5Cを参照して説明する。以下では、光結合層111aをSiNから構成した場合を例に説明する。なお、図5Aは、実施の形態に係る半導体レーザの構成ではなく、光結合層の上面に直接溝を形成して回折格子を形成した場合の結果である。また、図5Cは、実施の形態に係る半導体レーザの構成ではなく、光結合層の側面に直接溝を形成して回折格子を形成した場合の結果である。図5Cが、図4Eを用いて説明した光結合層111aを有する構造の計算結果である。 In the following, the effect of the diffraction grating 110d in the structure having the optical coupling layer 111a described with reference to FIG. 4E will be described with reference to FIG. 5A, FIG. 5B, and FIG. 5C. In the following, the optical coupling layer 111a is made of SiN. Note that FIG. 5A shows the result when a diffraction grating is formed by forming a groove directly on the upper surface of the optical coupling layer, not the configuration of the semiconductor laser according to the embodiment. Also, FIG. 5C shows the result when a diffraction grating is formed by forming a groove directly on the side surface of the optical coupling layer, not the configuration of the semiconductor laser according to the embodiment. FIG. 5C shows the calculation result of the structure having the optical coupling layer 111a described with reference to FIG. 4E.
図5Cに示すように、図4Eを用いて説明した半導体レーザによれば、光結合層111aと第2クラッド層106との界面(境界領域)から離れた箇所に、回折格子110dを配置しているので、境界領域と回折格子110dとの間隔を大きくすることで、比較的低い結合係数が実現できることが分かる。すなわち、スーパーモード導波路を形成するDFBレーザにおいても前述と同じ効果が得られる。As shown in Figure 5C, in the semiconductor laser described with reference to Figure 4E, the diffraction grating 110d is disposed at a location away from the interface (boundary region) between the optical coupling layer 111a and the second cladding layer 106, so it can be seen that a relatively low coupling coefficient can be achieved by increasing the distance between the boundary region and the diffraction grating 110d. In other words, the same effect as described above can be obtained in a DFB laser that forms a supermode waveguide.
次に、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの製造方法について、図6A~図6Fを参照して説明する。以下では、図4Eを用いて説明した半導体レーザを例に、製造方法を説明する。Next, a method for manufacturing a semiconductor laser according to an embodiment of the present invention will be described with reference to Figures 6A to 6F. Below, the manufacturing method will be described using the semiconductor laser described with reference to Figure 4E as an example.
まず、図6Aに示すように、Siからなる基板101の上に、例えば、酸化シリコン(SiO2)からなる第1クラッド層102を形成する。例えば、Siからなる基板101の表面を熱酸化することで、第1クラッド層102を形成することができる。次に、図6Bに示すように、第1クラッド層102の上に、例えば、InPなどのIII-V族半導体などにより、半導体層121に埋め込まれた状態の活性層103、p型半導体層104、およびn型半導体層105を形成する(参考文献)。活性層103は、例えば、多重量子井戸構造とすることができる。 First, as shown in Fig. 6A, a first cladding layer 102 made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ) is formed on a substrate 101 made of Si. For example, the first cladding layer 102 can be formed by thermally oxidizing the surface of the substrate 101 made of Si. Next, as shown in Fig. 6B, an active layer 103, a p-type semiconductor layer 104, and an n-type semiconductor layer 105 are formed on the first cladding layer 102, the active layer 103 being embedded in a semiconductor layer 121, using, for example, a III-V group semiconductor such as InP (reference literature). The active layer 103 can have, for example, a multiple quantum well structure.
次に、図6Cに示すように、半導体層121の上に、第1誘電体層131、光結合層形成層132、第2誘電体層133,および回折格子形成層134を順次に形成する。例えば、第1誘電体層131および第2誘電体層133はSiO2から構成することができるまた、光結合層形成層132および回折格子形成層134は、SiNから構成することができる。 6C, a first dielectric layer 131, an optical coupling layer forming layer 132, a second dielectric layer 133, and a diffraction grating forming layer 134 are sequentially formed on the semiconductor layer 121. For example, the first dielectric layer 131 and the second dielectric layer 133 can be made of SiO2 , and the optical coupling layer forming layer 132 and the diffraction grating forming layer 134 can be made of SiN.
これらの層の形成において、半導体層121や活性層103などのすでに形成されているIII-V族化合物半導体の層を破壊しないように、500℃以下の低温条件で成膜などを実施する。例えば、上述した成膜方法として、電子サイクロトロン共鳴(ECR)プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いることができる。また、成膜における原料ガスは、重水素シランを用いることができる。これにより、通信波長帯における光吸収を抑制したSiNの層を形成することができる。In forming these layers, deposition is performed at a low temperature of 500°C or less so as not to destroy the already formed III-V compound semiconductor layers such as the semiconductor layer 121 and the active layer 103. For example, the above-mentioned deposition method may be an electron cyclotron resonance (ECR) plasma CVD (chemical vapor deposition) method. Deuterium silane may be used as the source gas for deposition. This allows the formation of a SiN layer that suppresses light absorption in the communication wavelength band.
なお、第1誘電体層131、光結合層形成層132、第2誘電体層133,および回折格子形成層134のいずれかは、厚さが100nm以下であれば、スパッタ法によって形成することができる。 In addition, any of the first dielectric layer 131, the optical coupling layer forming layer 132, the second dielectric layer 133, and the diffraction grating forming layer 134 can be formed by a sputtering method so long as the thickness is 100 nm or less.
次に、公知のリソグラフィー技術により、回折格子形成層134の上に、回折格子形成用のマスクパターンを形成し、このマスクパターンを用いたドライエッチングにより回折格子形成層134をエッチング処理することで、図6Dに示すように、第2誘電体層133の上に、回折格子層135を形成する。Next, a mask pattern for forming a diffraction grating is formed on the diffraction grating forming layer 134 using known lithography techniques, and the diffraction grating forming layer 134 is etched by dry etching using this mask pattern to form a diffraction grating layer 135 on the second dielectric layer 133, as shown in FIG. 6D.
上述したエッチング処理では、第2誘電体層133の厚さ方向に、上面から一部もオーバーエッチングされる場合がある。ただし、後述するように、回折格子層135は、第2誘電体層133と同じ材料の層で埋め込まれるため、上述したオーバーエッチングの問題は回避される。従来の構成では、オーバーエッチングは生じれば、回折格子の溝深さが、設計値より大きくなり、形成される回折格子が、設計よりも大きな結合係数となり、低い結合係数の回折格子形成が困難となる。また、従来の構成では、浅い溝深さを形成しようとすると、エッチング時間を短くすることになるが、このような短時間の時間制御は困難である。これに対し、上述した実施の形態によれば、回折格子の溝の深さは、回折格子形成層の厚さにより決定され、オーバーエッチングにより、溝深さが変化するという問題が回避できることが特徴である。In the above-mentioned etching process, the second dielectric layer 133 may be partially over-etched from the upper surface in the thickness direction. However, as described later, the diffraction grating layer 135 is embedded with a layer of the same material as the second dielectric layer 133, so the above-mentioned problem of over-etching is avoided. In the conventional configuration, if over-etching occurs, the groove depth of the diffraction grating becomes larger than the design value, and the formed diffraction grating has a larger coupling coefficient than the design, making it difficult to form a diffraction grating with a low coupling coefficient. In addition, in the conventional configuration, if a shallow groove depth is to be formed, the etching time is shortened, but such a short time control is difficult. In contrast, according to the above-mentioned embodiment, the groove depth of the diffraction grating is determined by the thickness of the diffraction grating formation layer, and the problem of the groove depth changing due to over-etching can be avoided.
次に、回折格子層135、第2誘電体層133、光結合層形成層132、および厚さ方向に一部の第1誘電体層131をパターニングすることで、図6Eに示すように、回折格子110dおよび光結合層111aを形成し、これらの間に第2誘電体層133aが挾まれたメサを形成する。例えば、回折格子層135の上にリソグラフィーによってメサ形状のマスクパターンを形成し、このマスクパターンを用いて上述した各層を一括でドライエッチングして加工することで、図6Eに示す状態にすることができる。Next, the diffraction grating layer 135, the second dielectric layer 133, the optical coupling layer forming layer 132, and a part of the first dielectric layer 131 in the thickness direction are patterned to form the diffraction grating 110d and the optical coupling layer 111a, and a mesa is formed with the second dielectric layer 133a sandwiched between them, as shown in Figure 6E. For example, a mesa-shaped mask pattern is formed on the diffraction grating layer 135 by lithography, and the above-mentioned layers are dry-etched together using this mask pattern to process them, resulting in the state shown in Figure 6E.
次に、回折格子110dおよび光結合層111aによるメサ部分を埋め込むように、第1誘電体層131および第2誘電体層133と同じ誘電体材料を堆積することで、図6Fに示すように、第2クラッド層106を形成する。堆積した誘電体材料の層と、第2誘電体層133aおよび第1誘電体層131aが一体となって、第2クラッド層106となる。この後、各電極を形成することで、図4Eに示す半導体レーザが得られる。Next, the same dielectric material as the first dielectric layer 131 and the second dielectric layer 133 is deposited so as to bury the mesa portion formed by the diffraction grating 110d and the optical coupling layer 111a, thereby forming the second cladding layer 106, as shown in FIG. 6F. The deposited layer of dielectric material is integrated with the second dielectric layer 133a and the first dielectric layer 131a to form the second cladding layer 106. After this, the electrodes are formed to obtain the semiconductor laser shown in FIG. 4E.
厚さ方向に光結合層111aと回折格子110dとの間隔や、回折格子110dの溝深さは、第2誘電体層133や回折格子形成層134の厚さにより決定(制御)できる。この例において、第2誘電体層133が、回折格子110dと共振器との間の層となり、この厚さを制御することで、回折格子110dと共振器との間隔を制御することができる。従って、溝の深さをエッチング量やエッチング時間で決定する従来構造と比較して、実施の形態によれば、高精度かつ低い結合係数の回折格子による半導体レーザを作製することができる。The distance between the optical coupling layer 111a and the diffraction grating 110d in the thickness direction and the groove depth of the diffraction grating 110d can be determined (controlled) by the thickness of the second dielectric layer 133 and the diffraction grating forming layer 134. In this example, the second dielectric layer 133 is a layer between the diffraction grating 110d and the resonator, and by controlling the thickness of this layer, the distance between the diffraction grating 110d and the resonator can be controlled. Therefore, compared to the conventional structure in which the depth of the groove is determined by the etching amount and etching time, according to the embodiment, a semiconductor laser with a diffraction grating having high accuracy and a low coupling coefficient can be manufactured.
また、第2誘電体層133や回折格子形成層134の厚さに加え、第1誘電体層131、光結合層形成層132、第2誘電体層133,および回折格子形成層134の屈折率を制御することでも、回折格子の結合係数を制御することができる。例えば、各層の形成(堆積)において、窒素および酸素を含む原料ガスの流量によって屈折率を制御することができ、結合係数の制御の自由度を上げられる。In addition to controlling the thicknesses of the second dielectric layer 133 and the diffraction grating forming layer 134, the coupling coefficient of the diffraction grating can also be controlled by controlling the refractive indexes of the first dielectric layer 131, the optical coupling layer forming layer 132, the second dielectric layer 133, and the diffraction grating forming layer 134. For example, in the formation (deposition) of each layer, the refractive index can be controlled by the flow rate of the raw material gas containing nitrogen and oxygen, increasing the degree of freedom in controlling the coupling coefficient.
以上に説明したように、本発明によれば、回折格子を、共振器のコアと第1クラッド層または第2クラッド層との境界領域より離して形成し、第1クラッド層または第2クラッド層の中に配置されるようにしたので、回折格子の結合係数を、より容易に低くすることが可能となり、DFBレーザの長尺化が容易に実施できるようになる。As described above, according to the present invention, the diffraction grating is formed away from the boundary region between the core of the resonator and the first cladding layer or the second cladding layer, and is disposed within the first cladding layer or the second cladding layer, so that the coupling coefficient of the diffraction grating can be more easily reduced, and the length of the DFB laser can be easily increased.
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.
[参考文献]T. Aihara et al., "Membrane buried-heterostructure DFB laser with an optically coupled III-V/Si waveguide", Optics Express, vol. 27, no. 25, pp. 36438-36448, 2019. [Reference] T. Aihara et al., "Membrane buried-heterostructure DFB laser with an optically coupled III-V/Si waveguide", Optics Express, vol. 27, no. 25, pp. 36438-36448, 2019.
101…基板、102…第1クラッド層、103…活性層、104…p型半導体層、105…n型半導体層、106…第2クラッド層、107…p電極、108…n電極、110…回折格子、121…半導体層。 101...substrate, 102...first cladding layer, 103...active layer, 104...p-type semiconductor layer, 105...n-type semiconductor layer, 106...second cladding layer, 107...p-electrode, 108...n-electrode, 110...diffraction grating, 121...semiconductor layer.
Claims (4)
前記第1クラッド層の上に、導波方向に延在するコア形状に形成された活性層と、
前記活性層を挾んで前記活性層に接して形成されたp型半導体層およびn型半導体層と、
前記活性層の上に形成された誘電体からなる第2クラッド層と、
前記p型半導体層および前記n型半導体層に接続するp電極およびn電極と
を備え、
共振器内に回折格子を備える半導体レーザであって、
前記回折格子は、前記共振器の前記第2クラッド層の側に形成され、かつ、前記共振器のコアと前記第2クラッド層との間の境界領域より離れて形成され、
前記活性層と光結合可能な状態で前記第1クラッド層または前記第2クラッド層に埋め込まれて、前記活性層に沿って延在するコア形状に形成された光結合層をさらに備え、
前記回折格子は、前記第2クラッド層に埋め込まれて形成されていることを特徴とする半導体レーザ。 a first cladding layer formed on a substrate;
an active layer formed on the first cladding layer in a core shape extending in a waveguiding direction;
a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer formed in contact with the active layer and sandwiching the active layer;
a second cladding layer made of a dielectric material formed on the active layer;
a p-electrode and an n-electrode connected to the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer,
A semiconductor laser having a diffraction grating in a resonator,
the diffraction grating is formed on the second clad layer side of the resonator and is formed away from a boundary region between a core of the resonator and the second clad layer ,
an optical coupling layer that is embedded in the first cladding layer or the second cladding layer in a state capable of optically coupling with the active layer and is formed in a core shape extending along the active layer;
The semiconductor laser , wherein the diffraction grating is embedded in the second cladding layer .
前記回折格子は、前記活性層と前記光結合層との間に形成されていることを特徴とする半導体レーザ。 2. The semiconductor laser according to claim 1 ,
4. A semiconductor laser, comprising: a first layer and a second layer, the first layer including a first insulating layer and a second insulating layer;
前記回折格子は、前記光結合層の前記活性層が形成されていない側に形成されていることを特徴とする半導体レーザ。 2. The semiconductor laser according to claim 1 ,
4. A semiconductor laser, comprising: a first insulating layer formed on said first insulating film; a second insulating layer formed on said first insulating film;
前記回折格子は、導波方向に前記光結合層と同じ幅に形成されていることを特徴とする半導体レーザ。 The semiconductor laser according to any one of claims 1 to 3 ,
4. A semiconductor laser, comprising: a diffraction grating having a width equal to that of the optical coupling layer in a waveguiding direction;
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