CN114008879A - 半导体光元件 - Google Patents
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Abstract
半导体光元件，具备埋入有活性层的台面构造(7)，该半导体光元件由光斑尺寸转换部(B)和活性层(3)的宽度均等的直线部(A)构成，光斑尺寸转换部(B)位于比该直线部(A)靠光的出射侧的位置，并且活性层(3)处的光的限制比直线部(A)弱，且在光的出射端处的光的光斑尺寸大于直线部的光的光斑尺寸，在与活性层(3)的层面平行的同一平面内，直线部(A)的台面构造(7)的宽度的平均值是比光斑尺寸转换部(B)的出射端处的台面构造(7)的宽度的值小的值，在台面构造(7)的顶部以遍及直线部(A)以及光斑尺寸转换部(B)的全长向活性层(3)进行电流注入的方式形成有电极。
Description
技术领域
本申请涉及半导体光元件。
背景技术
对于在半导体层内埋入了活性层的埋入型半导体激光器，已知这样的构造：通过设置活性层宽度随着朝向出射端侧而逐渐变窄的锥形导波路，而在激光器的直线部集成光斑尺寸转换部(例如，专利文献1)。
在活性层内从位于半导体层的上下的电极分别注入的电子与空穴再结合，而能够获得发光以及增益。在活性层产生的光在激光器的直线部以及光斑尺寸转换部中传播，一边得到增益一边被放大。被放大的光在由半导体激光器前后的解理端面镜构成的谐振腔内传播，反复进行端面镜的反射。在传播损耗以及镜损耗之和变得与在活性层传播的同时所得的增益相等时，激光器发生振荡，激光从出射端面射出。此时，在光斑尺寸转换部，活性层宽度随着朝向出射端面而逐渐变窄，由此向活性层的光限制逐渐减弱，光向埋入活性层的半导体层的渗出变大，从而能够扩大出射端面处的光斑尺寸。若出射端面附近的近场图像(NFP：Near Field Pattern)的光斑尺寸大，则出射光的衍射变小，因此与未集成光斑尺寸转换器的情况相比，能够减小远场图像(FFP：Far Field Pattern)的光束宽度。这样的光束宽度窄的光具有对光纤的纤芯的对位变得容易、抑制光纤的光晕，能够得到高耦合效率这样的优点。
在专利文献2中，对包括活性层与光导波路的对接构造的埋入型半导体激光器，提出了使埋入导波路部分的台面构造的宽度比埋入活性层的台面构造的宽度窄的构造。通过该构造，能够抑制因对接构造而产生的散射光在埋入导波路的台面内传播，因此能够改善模式紊乱。
专利文献1：日本特开2000－36638号公报
专利文献2：日本特开2013－115161号公报
以往的集成了光斑尺寸转换器的埋入型半导体激光器如上述那样构成，为了在出射端充分地扩大光斑尺寸，而扩大埋入活性层的台面构造的宽度。但是，当扩大埋入活性层的台面构造的宽度时，由于为了向活性层注入电流而设置于台面上的电极面积增加，因此半导体激光器的寄生电容增加。寄生电容大的元件无法跟随高速电信号，出射光的光输出信号波形变钝。因而，使用与激光器相同的活性层来形成光斑尺寸转换器并将其集成于激光器的方法，虽然广泛应用于不需要光强度调制的高输出激光器、或者以1.5Gbps以下的比较低的速度调制的激光器，但存在不适合高速调制用途这样的问题。
另外，即使在高速调制用途的激光器(例如电场吸收型调制器集成激光器)集成光斑尺寸转换器的情况下，也大多是使用与构成激光器部的活性层不同的半导体导波路来形成光斑尺寸转换部。在该情况下，由于不需要向光斑尺寸转换部的电流注入，因此不需要在台面上设置电极。因而，能够不用考虑寄生电容地扩大台面宽度，所以能够兼顾高速调制和窄的出射光束宽度。但是，存在这样的缺点：用于光斑尺寸转换部的晶体生长次数增加、由于激光器部与光斑尺寸转换部的接合部分的形状或者折射率的不匹配而产生导波模的紊乱使得出射光束形状紊乱。
发明内容
本申请公开了用于解决上述那样的课题的技术，其目的在于提供一种寄生电容小且能够高速调制的具备光斑尺寸转换部的半导体光元件。
本申请所公开的半导体光元件具备埋入有活性层的台面构造，该半导体光元件由光斑尺寸转换部和活性层的宽度均等的直线部构成，光斑尺寸转换部位于比该直线部靠光的出射侧的位置，光斑尺寸转换部的活性层处的光的限制比直线部弱，并且光斑尺寸转换部的在光的出射端处的光的光斑尺寸大于直线部的光的光斑尺寸，在与活性层的层面平行的同一平面内，直线部的台面构造的宽度的平均值是比光斑尺寸转换部的出射端处的台面构造的宽度的值小的值。
根据本申请所公开的半导体光元件，能够获得寄生电容小且能够高速调制的具备光斑尺寸转换器的半导体光元件。
附图说明
图1是表示实施方式1的半导体光元件的结构的、包括活性层的面的剖视示意图。
图2是表示实施方式1的半导体光元件的结构的、与光轴平行且与活性层的面垂直的剖视示意图。
图3A是表示实施方式1的半导体光元件的直线部的结构的、与光轴垂直的剖视示意图。
图3B是表示实施方式1的半导体光元件的光斑尺寸转换部的结构的、与光轴垂直的剖视示意图。
图4是表示实施方式1的半导体光元件的另一结构的、包括活性层的面的剖视示意图。
图5是表示实施方式1的半导体光元件的又一结构的、包括活性层的面的剖视示意图。
图6是对实施方式1的半导体光元件与比较例的半导体光元件的x方向的FFP的特性进行比较来示出的图。
图7是对实施方式1的半导体光元件与比较例的半导体光元件的y方向的FFP的特性进行比较来示出的图。
图8是表示实施方式1的半导体光元件的内部光强度分布的一个例子的图。
图9是表示比较例的半导体光元件的内部光强度分布的一个例子的图。
图10是表示实施方式2的半导体光元件的结构的与光轴平行的侧面剖视示意图。
图11是表示实施方式2的半导体光元件的直线部的结构的与光轴垂直的剖视示意图。
图12是表示实施方式2的半导体光元件的光斑尺寸转换部的结构的与光轴垂直的剖视示意图。
图13是表示实施方式2的半导体光元件的制造工序的一部分的俯视图。
图14是表示实施方式3的半导体光元件的结构的、包括活性层的面的剖视示意图。
图15是表示实施方式3的半导体光元件的直线部的结构的、与光轴垂直的剖视示意图。
图16是表示实施方式3的半导体光元件的光斑尺寸转换部的结构的、与光轴垂直的剖视示意图。
图17是表示实施方式4的半导体光元件的结构的、包括活性层的面的剖视示意图。
图18是表示实施方式4的半导体光元件的另一结构的、包括活性层的面的剖视示意图。
图19是表示实施方式4的半导体光元件的内部光强度分布的一个例子的图。
图20A和图20B是将实施方式4的半导体光元件的FFP的一个例子与实施方式1的半导体光元件进行比较来示出的图。
具体实施方式
实施方式1
图1是表示作为实施方式1的半导体光元件的半导体激光器的结构的、包括活性层的面的xz剖视示意图。另外，图2是yz剖视图。这里，将与半导体激光器的谐振腔的光轴垂直地相交的水平方向设为x，将半导体层的层叠方向设为y，将光的传播方向设为z。半导体激光器由后端面侧的直线部A、和光的出射侧即前端面侧的光斑尺寸转换部B构成。直线部A和光斑尺寸转换部B合起来的半导体激光器的全长大多在150um～400um的范围内，但并不局限于该范围。图3A是直线部A的xy剖面即与光轴垂直的剖视示意图，图3B是光斑尺寸转换部B的xy剖面即与光轴垂直的剖视示意图。
实施方式1的半导体光元件例如能够如下述这样制作。首先，在以(001)面为主面的掺杂了Si的载流子浓度为4×1018/cm3的n型InP基板1之上，使用MOCVD或者MBE这样的半导体膜生长装置，使载流子浓度为4×1018/cm3、厚度为0.5um的n型InP包覆层2、厚度为0.2um的由AlGaInAs系或InGaAsP系半导体材料构成的活性层3生长。这里，列举了n型InP基板的例子，但也可以使用p型InP基板或者掺杂Fe的InP基板。另外，并不局限于InP系，也可以使用GaAs系、GaN系等的半导体材料。活性层也可以包含多量子阱结构。
接着，使用SiO2等绝缘膜形成沿z方向延伸的条状的掩模之后，直到到达n型InP基板1或n型InP包覆层2的深度为止进行蚀刻，而形成包括活性层3的脊结构30。此时，直线部A的包括活性层3的脊结构30的宽度、即活性层宽度wr1以及光斑尺寸转换部B的活性层宽度wr2存在wr1>wr2的关系。直线部A的活性层宽度wr1均等，大多为0.8～1.6um程度，但只要满足单模条件，则并不局限于该范围。只要光斑尺寸转换部B的光的出射端处的活性层宽度wr2满足wr1＞wr2，则也可以包含宽度随着朝向出射端而逐渐变窄的锥形构造。
接着，在脊的外侧依次埋入掺杂了Zn的载流子浓度为5×1017/cm3的p型InP埋入层4、载流子浓度为1×1019/cm3的n型InP阻挡层5。埋入层可以使用掺杂了Ru或者Fe的InP等半绝缘性材料，或者也可以是载流子浓度或极性不同的层、组合了这些多个半导体层叠膜的层。
接着，在n型InP阻挡层5以及脊结构30的活性层3之上形成了载流子浓度为1×1019/cm3的p型包覆层6之后，直到到达n型InP基板1或n型InP包覆层2为止进行蚀刻，而形成在内部埋入了活性层3的台面构造7。此时，台面构造在直线部A处的宽度即台面宽度W1和光斑尺寸转换部B的台面宽度W2存在W1＜W2的关系。W1、W2可以如图1所示那样分别在直线部A内和光斑尺寸转换部B内为均等的宽度，另外，也可以如图4所示那样在光斑尺寸转换部B或者如图5所示那样在直线部A，包含随着朝向出射端而台面宽度逐渐变宽的锥形构造。作为台面宽度，只要直线部A处的台面宽度的平均值是比光斑尺寸转换部B的出射端处的台面宽度的值小的值即可。另外，台面宽度虽然根据y方向上的位置而不同，但在同一xz面内，例如与活性层3的层面平行的同一平面的台面宽度满足上述关系。
另外，在n型InP基板1的背面设置有n电极8，在p型包覆层6的表面设置有p电极9。如图2、图3A及图3B所示，p电极9遍及直线部A以及光斑尺寸转换部B的全长以台面宽度形成于台面构造7的顶部。因而，本申请的半导体激光器不仅在直线部A，还遍及光斑尺寸转换部B的全长进行向活性层3的电流注入，在光斑尺寸转换部B也能够获得增益，有助于激光器输出的高输出化。若不向光斑尺寸转换部B的活性层3进行电流注入，则在活性层3会损耗光，但在本结构的情况下，反而能够获得增益。n电极8以及p电极9由含有Au、Pt、Zn、Ge、Ni、Ti等的金属单体、或这些金属的组合构成。通常半导体激光器为将半导体层叠膜夹在n电极8与p电极9之间的电容器构造，因此存在寄生电容。
实施方式1的半导体光元件如以下这样发挥作用。首先，当向p电极9与n电极8间进行电流注入时，从p型包覆层6供给的空穴由于n型InP阻挡层5而变窄，从而高效地注入活性层3。同样地，从n型InP基板1以及n型InP包覆层2则供给电子，来注入活性层3。若在活性层3内注入的电子和空穴再结合，则能够获得发光以及增益。通常活性层3的折射率高于周围的埋入层以及阻挡层，因此通过再结合而产生的发光被限制在活性层3内。直线部A的后端面镜以及光斑尺寸转换部B的光的出射侧即前端面镜构成了法布里-珀罗谐振腔，在活性层3产生的发光一边获得增益一边在谐振腔内传播而发生谐振。即，直线部A以及光斑尺寸转换部B都包含在谐振腔内，并且如上述那样，向光斑尺寸转换部B的活性层3也进行电流注入，而获得增益。在光的传播损耗和镜损耗之和变得等于光增益时，激光器发生振荡，而从端面射出激光。此时，在直线部A，由于脊宽度wr1宽，因此光被强力地限制于活性层3。另一方面，在光斑尺寸转换部B，由于脊宽度wr2窄，因此对光的限制弱，向活性层3的外侧渗出的光变多，从而光斑尺寸变大。这样，在光斑尺寸转换部B，将光斑尺寸变换为，在光的出射端处的光的光斑尺寸变得大于直线部A的光的光斑尺寸。若在出射端NFP的光斑尺寸大则光的衍射小，因此出射光的FFP光束宽度变窄。
将对台面宽度与出射光束的x方向以及y方向的FFP宽度之间的关系通过光束传播法(BPM)进行模拟的结果，示于图6及图7。图6及图7示出了关于将光斑尺寸转换部的台面宽度W2固定为18μm的实施方式1的半导体激光器、以及将W2设为与直线部的台面宽度W1相同的比较例的半导体激光器，改变直线部的台面宽度W1来进行模拟的结果。此时，假设振荡波长为1270nm，活性层3的折射率为3.355，InP层的折射率为3.207，脊宽度wr1＝1.5um，wr2＝0.6um。在实施方式1的半导体激光器中设为如下结构：直线部A的在模拟中所用的长度为10um，光斑尺寸转换部B的长度为90um，与直线部A接触的光斑尺寸转换部B的脊结构30包括长度为25um的锥形构造。
图6所示的x方向即水平方向的FFP半值全宽即FFPx、图7所示的y方向即垂直方向的FFP半值全宽即FFPy均为实施方式1的FFP半值全宽与台面宽度W1无关，FFP宽度恒定，与此相对，在比较例中，当台面宽度W1比14um窄时，FFP宽度开始变化。特别是在W1≤6um的范围，台面宽度W1越窄，水平方向的FFP半值全宽FFPx越宽，光斑尺寸转换部B不起作用。
为了解释该原因，图8中示出实施方式1的相对光强度分布的xz俯视图，图9中示出比较例的相对光强度分布的xz俯视图。在图8的实施方式1中，W1＝6um，W2＝18um；在图9的比较例中，W1＝W2＝6um。另外，在图8及图9中，用白线示出了台面构造7的边界77。在图9的比较例中，在光斑尺寸转换部B，随着朝向出射端而光在水平方向上变宽，但由于台面宽度W2窄，因此在出射端附近光无法充分变宽。因而，在图9的比较例中，若台面宽度W1比6um窄，则无法使水平方向FFP半值全宽变窄。另外，在图9的比较例的z＝50um附近，变宽的光分布的边缘落在台面与空气的界面，产生模式的紊乱。
如图6所示，在W1＝6～14um时，之所以比较例的水平方向FFP宽度FFPx比实施方式1窄，是因为该模式紊乱。这样的模式紊乱成为例如由于在晶圆面内产生的台面宽度W2的偏差而使得出射光束宽度的偏差变大、或者出射光束形状发生紊乱而向光纤的耦合效率降低的原因，因此不优选。在图8所示的实施方式1的相对光强度分布中可知，由于光斑尺寸转换部B的台面宽度W2足够宽，因此能够与直线部A的台面宽度W1无关地扩大出射端处的光斑尺寸，其结果，能够获得窄的FFP半值全宽。另外，即使光斑尺寸转换部B的台面宽度W2存在偏差，也只要变宽的光分布的边缘不落在台面与空气的界面，就能够防止出射光束宽度的偏差、以及如图9所示的模式紊乱。
接着，探讨寄生电容。半导体激光器为由台面构造7上的p电极9和n型InP基板1背面的n电极8夹着半导体层的电容器构造。电容器的电容C通常由式(1)表示。这里，ε是半导体层的介电常数，S是电极的面积，d是电极间的距离。
C＝εS/d (1)
在台面宽度均等的以往构造的半导体激光器中，为了使出射光束的FFP半值全宽变窄，而需要遍及半导体激光器的全长扩大台面宽度。其结果，台面上的电极面积S变宽，激光器的元件电容C即寄生电容增加。在实施方式1中，将获得窄的FFP半值全宽所需要的光斑尺寸转换部的台面宽度W2保持为宽，另一方面，使与FFP半值全宽的控制无关的直线部A的台面宽度W1变窄。其结果，在实施方式1中，与以往构造相比，台面上的电极面积S变窄，因此能够降低寄生电容。
根据以上那样的效果，实施方式1能够获得兼顾窄宽度的FFP和寄生电容的降低的半导体激光器。这样的激光器能够获得这样的优点：容易进行向光纤的对位，并且能够进行使用高速信号的调制。
实施方式2
在图10示出作为实施方式2的半导体光元件的半导体激光器的示意性的yz剖面即与光轴平行的侧剖示意图，在图11示出直线部A的xy剖视示意图，在图12示出光斑尺寸转换部B的xy剖视示意图。在实施方式2中，直线部A的活性层3的厚度d1与光斑尺寸转换部B的活性层3的厚度d2为不同的厚度，即，d1＞d2。如图10所示，光斑尺寸转换部B的活性层厚度d2也可以包括随着朝向出射端而膜厚变薄的锥形构造。活性层3的宽度也可以在直线部A和光斑尺寸转换部B相同。除此之外的台面宽度以及层构造为与实施方式1同样的构造。
这样的在光轴方向上活性层3的膜厚不同的构造，例如能够如下述这样制作。在n型InP基板1之上使n型InP包覆层生长之后，如图13的俯视图所示，使用SiO2等绝缘膜来形成光斑尺寸转换部B的宽度比直线部A的宽度a窄的一对掩模，之后，进行活性层3的选择生长。由此，对于在被一对掩模夹着的区域生长的活性层而言，在掩模的宽度宽的部位，由于在一对掩模之间材料气体大量集中而膜厚变厚，相反在掩模的宽度窄的部位，膜厚变薄。
实施方式2的半导体光元件如下述这样发挥作用。在直线部A，光被强力地限制在活性层3附近，但在光斑尺寸转换部B，由于活性层3的膜厚比直线部A薄，因此对光的限制比直线部A弱，光斑尺寸扩大。与实施方式1同样地，在将光斑尺寸转换部B的台面宽度W2保持为宽的情况下使直线部的台面宽度W1变窄以满足W1＜W2的关系，从而能够降低寄生电容，并且能够扩大出射端处的光斑尺寸，其结果，能够获得FFP的宽度窄的出射光束。
实施方式3
在图14～图16示出作为实施方式3的半导体光元件的半导体激光器的结构。图14示出包括活性层的面的xz剖视示意图，图15示出直线部A的xy剖视示意图，图16示出光斑尺寸转换部B的xy剖视示意图。在实施方式3中，直线部A的活性层3a的折射率n1与光斑尺寸转换部B的活性层3b的折射率n2之间存在n1＞n2的关系。除此之外的台面宽度以及层构造是与实施方式1同样的构造。光斑尺寸转换部B的折射率n2也可以是随着朝向出射端面而折射率逐渐降低的渐变结构。
实施方式3的半导体光元件如下述这样发挥作用。在直线部A，由于活性层3a的折射率n1高，因此以活性层3a为中心将光强力地限制。另一方面，在光斑尺寸转换部B，由于活性层3b的折射率n2低于n1，与埋入层之间的折射率差比直线部A小，因此对光的限制弱。因此，光还向活性层3a的外侧渗出，光斑尺寸变宽。因而，为了使出射光束宽度变窄，不得不将光斑尺寸转换部B的台面宽度W2保持为宽以在出射端使光斑尺寸变大。另一方面，由于直线部A与出射光束的FFP半值全宽的控制无关，因此通过以使关系W1＜W2成立的方式缩窄台面宽度W1，从而能够降低寄生电容。其结果，与实施方式1同样地，与以往构造相比，能够减小台面上的电极面积S，因此能够降低寄生电容，并且还能够使出射光束宽度变窄。
实施方式4
图17是用包含活性层3的xz面的剖面示出作为实施方式4的半导体光元件的半导体激光器的结构的剖视示意图。在实施方式4中，光斑尺寸转换部B中的靠近直线部A的区域的台面宽度W3比出射端附近的台面宽度W2窄。并且，台面宽度W2从自直线部A与光斑尺寸转换部B的边界向出射端侧离开Z1的部位起变宽，满足关系W1≤W3＜W2。光斑尺寸转换部B的台面宽度W2可以如图17所示那样随着朝向出射端而呈阶梯状地变宽，或者也可以如图18所示那样包含随着朝向出射端而逐渐变宽的锥形构造。
实施方式4的半导体光元件如下述这样发挥作用。在光斑尺寸转换部B的与直线部A之间的边界附近，与出射端相比较，光斑尺寸还未充分扩大。因而，只要是光强度分布的边缘不落在台面外侧的范围，就能够使与直线部A之间的边界附近的台面宽度W3变窄。例如，设为W1＝W3＝6um、W2＝18um、Z1＝20um使用BPM进行了模拟。此时的xz平面的光强度分布图如图19所示。即便与实施方式1(W1＝6um，W2＝18um)的图8相比较，光强度分布也几乎看不出差异。另外，在图20A将此时的出射光束的水平方向FFP光束形状FFPx与实施方式1的形状对应地示出，在图20B将垂直方向FFP光束形状FFPy与实施方式1的形状对应地示出。可知均与实施方式1几乎没有差别，能够获得FFP宽度窄的出射光束。
以上，其特征在于，直线部A与光斑尺寸转换部B的台面构造的宽度的关系，不管是在哪一个实施方式中均为：在与活性层3的层面平行的同一平面，直线部A的台面构造7的宽度的平均值是比光斑尺寸转换部B的光的出射端处的台面构造7的宽度的值小的值。根据该特征，能够提供寄生电容小且能够高速调制的具备光斑尺寸转换器的半导体光元件。
在本申请中记载了各种例示性实施方式以及实施例，但是一个或者多个实施方式中所记载的各种特征、形态以及功能并不局限于特定实施方式的应用，而是能够单独地或者以各种组合应用于实施方式。因而，在本申请说明书所公开的技术范围内能够想到无数未例示的变形例。例如，包括针对至少一个构成要素进行变形的情况、追加的情况或者省略的情况，此外，还包括将至少一个构成要素抽出并与其他实施方式的构成要素组合的情况。
附图标记说明
1…InP基板；2…包覆层；3，3a，3b…活性层；4…埋入层；7…台面构造；8…n电极；9…p电极；30…脊结构；A…直线部；B…光斑尺寸转换部。
Claims (7)
1.一种半导体光元件，其具备埋入有活性层的台面构造，其特征在于，
该半导体光元件由光斑尺寸转换部和所述活性层的宽度均等的直线部构成，所述光斑尺寸转换部位于比所述直线部靠光的出射侧的位置，所述光斑尺寸转换部的所述活性层处的光的限制比所述直线部弱，并且所述光斑尺寸转换部的在光的出射端处的光的光斑尺寸大于所述直线部的光的光斑尺寸，
在与所述活性层的层面平行的同一平面内，所述直线部的所述台面构造的宽度的平均值是比所述光斑尺寸转换部的所述出射端处的所述台面构造的宽度的值小的值，在所述台面构造的顶部以遍及所述直线部以及所述光斑尺寸转换部的全长向所述活性层进行电流注入的方式形成有电极。
2.根据权利要求1所述的半导体光元件，其特征在于，
所述光斑尺寸转换部的出射端的所述活性层的宽度比所述直线部的所述活性层的宽度窄。
3.根据权利要求1所述的半导体光元件，其特征在于，
所述直线部的所述活性层的厚度均等，所述光斑尺寸转换部的出射端的所述活性层的厚度比所述直线部的所述活性层的厚度薄。
4.根据权利要求1所述的半导体光元件，其特征在于，
所述直线部的所述活性层的折射率均等，所述光斑尺寸转换部的出射端的所述活性层的折射率低于所述直线部的所述活性层的折射率。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的半导体光元件，其特征在于，
在所述光斑尺寸转换部，所述台面构造的宽度随着朝向所述出射端而呈阶梯状地变宽。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的半导体光元件，其特征在于，
在所述光斑尺寸转换部包含所述台面构造的宽度随着朝向所述出射端而逐渐变宽的部分。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的半导体光元件，其特征在于，
在所述直线部包含所述台面构造的宽度随着朝向所述光斑尺寸转换部而逐渐变宽的部分。
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