JP2006047895A - Photonic crystal semiconductor device and semiconductor laser integrated device - Google Patents
Photonic crystal semiconductor device and semiconductor laser integrated device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006047895A JP2006047895A JP2004231955A JP2004231955A JP2006047895A JP 2006047895 A JP2006047895 A JP 2006047895A JP 2004231955 A JP2004231955 A JP 2004231955A JP 2004231955 A JP2004231955 A JP 2004231955A JP 2006047895 A JP2006047895 A JP 2006047895A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- photonic crystal
- light
- semiconductor
- waveguide
- incident
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
Description
本発明は、光通信に用いられるフォトニック結晶半導体デバイス及びそれを半導体レーザとモノリシックに集積した半導体レーザ集積デバイスに関するものである。 The present invention relates to a photonic crystal semiconductor device used for optical communication and a semiconductor laser integrated device in which it is monolithically integrated with a semiconductor laser.
インターネット・トラフィックの爆発的増大に伴い、光通信における伝送容量の大容量化が要求されている。この要求に応えるため、波長多重通信(WDM、wavelength division multiplex)が採用され、1テラビット/秒を超える超大容量化が商用レベルで可能になりつつある。 With the explosive increase in Internet traffic, there is a demand for an increase in transmission capacity in optical communications. In order to meet this demand, wavelength division multiplexing (WDM) is adopted, and ultra-high capacity exceeding 1 terabit / second is becoming possible at a commercial level.
このWDMを支えるキーコンポーネントとしての送信用信号光源において、半導体レーザを変調する方法としては、半導体レーザの駆動電流を直接変調する直接変調方式と、レーザの出力光を一定強度に保ったまま外部の変調器を用いて変調する外部変調方式がある。このうち、直接変調方式では、変調電流の印加に伴ってレーザの活性層内部のキャリア量に起因した波長変動が起こるチャーピングが問題となる。チャーピングは、特にギガヘルツオーダの高速変調を行う場合、光ファイバの分散特性によって伝送後の波形の歪をもたらすため、問題となっていた。 In a signal light source for transmission as a key component supporting this WDM, a method for modulating a semiconductor laser includes a direct modulation method for directly modulating the drive current of the semiconductor laser and an external light source while maintaining the laser output light at a constant intensity. There is an external modulation system that modulates using a modulator. Among these, in the direct modulation method, chirping in which wavelength variation due to the amount of carriers in the active layer of the laser occurs as a modulation current is applied becomes a problem. Chirping has been a problem particularly when high-speed modulation of the order of gigahertz is performed because the waveform distortion after transmission is caused by the dispersion characteristics of the optical fiber.
そのため、大容量・長距離伝送の場合には外部変調方式が用いられる。外部変調器の例としては、LiNbO3を用いたマッハツェンダ型変調器があり、これは、原理的に波長変動をなくすことができるが、素子の小型化が困難であり、また、半導体レーザとのモノリシック集積もできないという短所があった。これに対し、半導体多重量子井戸構造を用いた吸収型の変調器(EA変調器)は、量子井戸構造の設計によりチャーピングをコントロールでき、また、半導体レーザとの集積が可能であり、低電圧駆動が可能で小型化も可能であるという長所を有している。 Therefore, an external modulation method is used in the case of large capacity and long distance transmission. As an example of the external modulator, there is a Mach-Zehnder type modulator using LiNbO 3 , which can eliminate wavelength fluctuation in principle, but it is difficult to downsize the device, There was a disadvantage that monolithic integration was not possible. On the other hand, an absorption modulator (EA modulator) using a semiconductor multiple quantum well structure can control chirping by the design of the quantum well structure, and can be integrated with a semiconductor laser. It has the advantage that it can be driven and miniaturized.
しかし、EA変調器においては、光吸収により発生したキャリアが量子井戸内に蓄積される傾向があるため、数mW以上の強い光が入射した場合に高速変調動作に支障をきたすという問題があった。 However, in the EA modulator, carriers generated by light absorption tend to be accumulated in the quantum well, so that there is a problem that high-speed modulation operation is hindered when strong light of several mW or more is incident. .
ところで、近年、異なる屈折率を有する二種類あるいはそれ以上の種類の材料を用いて、光の波長オーダの周期構造を形成したいわゆるフォトニック結晶が注目され、多くの研究機関により理論・実験の両面から精力的な研究が行われている。このフォトニック結晶では、従来の光学材料にない新しい機能が報告されており、その中に、光の波長によって伝搬方向が大きく異なるというスーパープリズム効果がある(非特許文献1)。このスーパープリズム効果を利用すると、フォトニック結晶への入射光波長をわずかに変えるだけで出射光の位置を大きく変化させることができ、また、フォトニック結晶への入射角度をわずかに変えるだけで出射光の位置を大きく変化させることができる。すなわち、光の進路を大きな幅で変調することが可能になる。 By the way, in recent years, so-called photonic crystals in which a periodic structure of the wavelength order of light is formed using two or more kinds of materials having different refractive indexes have attracted attention, and both research and theoretical aspects have been observed. Energetic research has been carried out. In this photonic crystal, a new function that is not found in conventional optical materials has been reported. Among them, there is a super prism effect that the propagation direction varies greatly depending on the wavelength of light (Non-patent Document 1). Using this super prism effect, the position of the emitted light can be changed greatly by changing the incident light wavelength to the photonic crystal slightly, and the output angle can be changed by changing the incident angle to the photonic crystal slightly. The position of the incident light can be changed greatly. That is, the light path can be modulated with a large width.
このスーパープリズム効果を用いたデバイスとして、PLZT(PbLaZrTiO3)結晶を用いたフォトニック結晶に電圧を印加することによりスーパープリズム効果を電気的に制御するものが非特許文献2に示されている。
As a device using this super prism effect, Non-Patent
しかしながら、光集積回路においては、光変調器などの光制御素子が半導体ベースの受光/発光素子とモノリシックに集積できることが望ましい。この点において、上記のような非半導体系のデバイスは、半導体レーザ等と集積できないため不利であった。 However, in an optical integrated circuit, it is desirable that a light control element such as an optical modulator can be monolithically integrated with a semiconductor-based light receiving / emitting element. In this respect, the non-semiconductor device as described above is disadvantageous because it cannot be integrated with a semiconductor laser or the like.
この点に関しては、特許文献1に示されているように、半導体フォトニック結晶を利用した光変調器も提案されている。この特許文献1の実施形態4に示されている光変調器は、フォトニック結晶中に形成した導波路と、この導波路に電界を印加してフォトニックバンドギャップを変化させる電極を備えており、導波路の出射端面は導波方向に対して斜めになるように形成されている。この光変調器は、電圧の印加により、フォトニックバンドギャップの変調→フォトニック結晶の屈折率の変調→出射端面からの光出射角の変調、を実現している。
しかしながら、特許文献1に記載されている光変調器は、フォトニック結晶におけるスーパープリズム効果を積極的に利用したものではなく、半導体フォトニック結晶の屈折率の変調に伴う出射角の変調のみを利用しているため、大きな空間変調幅が得られず、十分な消光比が期待できなかった。
However, the optical modulator described in
以上に鑑み、本発明は、低チャーピングで、高入力時にも高速動作が可能であり、かつ、十分な消光比を有し、半導体レーザとの集積も可能な光変調器を実現することを目的としてなされたものである。 In view of the above, the present invention realizes an optical modulator that is low in chirping, capable of high-speed operation even at high input, has a sufficient extinction ratio, and can be integrated with a semiconductor laser. It was made as a purpose.
上記の目的を達成するため、本発明は、半導体基板上に形成され、二次元的な屈折率の周期構造を光の波長オーダで有するフォトニック結晶を用いたフォトニック結晶半導体デバイスにおいて、前記フォトニック結晶に光を所定の方向から入射させる光入射部と、前記フォトニック結晶から光を取り出す光出射部と、前記フォトニック結晶に電圧あるいは電流を印加する電極とを有し、かつ、前記フォトニック結晶中に多重量子井戸構造が形成されており、前記電圧あるいは電流の印加により前記フォトニック結晶中の光の伝搬方向が変化することを特徴とするフォトニック結晶半導体デバイスである。 In order to achieve the above object, the present invention provides a photonic crystal semiconductor device using a photonic crystal formed on a semiconductor substrate and having a two-dimensional refractive index periodic structure in the wavelength order of light. A light incident part for making light incident on the nic crystal from a predetermined direction; a light emitting part for extracting light from the photonic crystal; and an electrode for applying a voltage or current to the photonic crystal; The photonic crystal semiconductor device is characterized in that a multiple quantum well structure is formed in a nick crystal, and a light propagation direction in the photonic crystal is changed by application of the voltage or current.
このフォトニック結晶半導体デバイスは、電圧あるいは電流の印加によりフォトニック結晶に屈折率変化を生じさせ、この屈折率変化に基づくスーパープリズム効果を利用してフォトニック結晶中の光の伝搬方向を変化させるものであり、印加する電圧あるいは電流の変調により大きな出射角度の変調が可能となる。また、フォトニック結晶中に半導体多重量子井戸構造が形成されているため、電圧の印加により多重量子井戸構造の電気光学効果を利用して、フォトニック結晶の屈折率変化を十分に起こすことができる。 This photonic crystal semiconductor device changes the refractive index of the photonic crystal by applying voltage or current, and changes the propagation direction of light in the photonic crystal using the super prism effect based on this refractive index change. Therefore, a large emission angle can be modulated by modulating applied voltage or current. In addition, since the semiconductor multiple quantum well structure is formed in the photonic crystal, the refractive index of the photonic crystal can be sufficiently changed by applying the electro-optic effect of the multiple quantum well structure by applying a voltage. .
フォトニック結晶の構造としては、前記半導体中で空気孔ロッドが周期配列をなすことにより形成され、前記空気孔ロッドの周期配列が、略正三角形あるいは略正方形を最小単位とするものなどが挙げられる。 Examples of the structure of the photonic crystal include a structure in which air hole rods are formed in a periodic array in the semiconductor, and the air hole rods have a minimum unit of a regular equilateral triangle or a square. .
そして、前記光の入射方向と前記周期配列のいずれか一つの対称軸とのなす角度が0°より大きく15°より小さいものとすると、スーパープリズム効果を十分に利用することができる。 If the angle formed between the light incident direction and any one of the symmetry axes of the periodic array is greater than 0 ° and less than 15 °, the super prism effect can be fully utilized.
また、前記フォトニック結晶デバイスへの光の入出力の観点からは、前記入射部及び出射部に半導体導波路が接続されているものとすることが望ましい。この場合において、入射部と出射部に接続される各半導体導波路が非同一軸上に配置されているものとすることが好ましい。 Further, from the viewpoint of light input / output to / from the photonic crystal device, it is desirable that a semiconductor waveguide is connected to the incident portion and the emission portion. In this case, it is preferable that the semiconductor waveguides connected to the incident part and the emission part are arranged on non-identical axes.
上記のフォトニック結晶半導体デバイスを、前記半導体基板上に、半導体レーザと共にモノリシックに集積することで、外部変調器集積型のレーザ光源とすることができる。 By integrating the above-mentioned photonic crystal semiconductor device monolithically with the semiconductor laser on the semiconductor substrate, an external modulator integrated laser light source can be obtained.
本発明のフォトニック結晶デバイスは、スーパープリズム効果を利用しているため、大きな出射角度の変調が可能となり、高い消光比を得ることができる。したがって、本発明により、低チャーピングで、高入力時にも高速動作が可能であり、かつ消光比に優れた小型の光変調器を提供することが可能になる。 Since the photonic crystal device of the present invention utilizes the super prism effect, a large emission angle can be modulated, and a high extinction ratio can be obtained. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a small optical modulator that is low in chirping, capable of high-speed operation even at high input, and excellent in extinction ratio.
以下、本発明の好適な実施形態について図面を使用して説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
まず、本発明に係る光変調器に使用するフォトニック結晶の屈折率周期構造について説明する。図1は、二次元フォトニック結晶の模式図である。図1において、二次元フォトニック結晶は、高屈折率媒質MH中に、紙面に垂直方向に伸びた断面円形のロッド状の低屈折率媒質MLが、光の波長オーダで周期的に配列した二次元周期構造をしている。フォトニック結晶の格子定数(配列の周期)aを隣接する空気孔の中心から中心までの距離として定義し、ロッドの直径をbとする。ここでは、配列の最小単位が正三角形である場合について示したが、正方形などでもよい。周期配列の対称軸(Γ−M方向、Γ−K方向)を鎖線で表す。 First, the refractive index periodic structure of the photonic crystal used in the optical modulator according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram of a two-dimensional photonic crystal. In Figure 1, the two-dimensional photonic crystal, in the high refractive index medium M H, paper rod shape of the low refractive index medium M L of circular cross-section extending in the vertical direction, periodically arranged in wavelength order of light Has a two-dimensional periodic structure. The lattice constant (arrangement period) a of the photonic crystal is defined as the distance from the center of the adjacent air hole, and the diameter of the rod is b. Although the case where the minimum unit of the array is an equilateral triangle is shown here, a square or the like may be used. The symmetry axis (Γ-M direction, Γ-K direction) of the periodic array is represented by a chain line.
このフォトニック結晶の高屈折率媒質MHの屈折率を3.2(半導体結晶)とし、低屈折率媒質MLの屈折率を1とした場合のフォトニック結晶構造のエネルギーバンド図を図2に示す。縦軸は、格子定数aで規格化された入射光の周波数である。なお、図2にはTEモード(入射光の電界が空気孔と直交する方向のみに存在する)について示した。図2における最低次エネルギー(基底モード)の分散曲線(波数ベクトルと規格化周波数の関係)は、フォトニック結晶構造を持たない場合とほぼ同じであるため、スーパープリズム効果は期待できない。したがって、スーパープリズム効果を利用するためには、入射する光のエネルギーは高次のエネルギー準位に相当する必要がある。このためには、図2より、入射させる光の波長λに対し、k0(=2π/λ)>0.3×2π/a (k0:真空中の伝搬定数)となるようにフォトニック結晶の格子定数aを設定することが必要である。
The refractive index of the high refractive index medium M H of the photonic crystal and 3.2 (semiconductor crystals), FIG energy band diagram of the photonic crystal structure when the 1 the refractive index of the low refractive
次に、本発明に係る光変調器の構成の概念図を図3に示す。光変調器1は、フォトニック結晶領域2、入力導波路3、出力導波路4からなっている。フォトニック結晶を構成する空気孔のロッドの方向(紙面に垂直な方向)にy軸を、導波路中における導波方向にz軸を、また、y軸及びz軸に垂直な方向にx軸を取って説明する。
入力導波路3の軸は、フォトニック結晶領域2における周期配列の対称軸Γ−M、Γ−Kに対して0°以外の角度θ1、θ2を持つように傾けて形成されている。言い換えれば、対称軸Γ−M、Γ−Kのいずれもがz軸に一致しないように、フォトニック結晶パターンが設計されている。これは、光がこれらの対称軸のいずれかに平行に入射した場合はスーパープリズム効果が得られないからである。角度θ1あるいはθ2のいずれか一方が、0°より大きく15°より小さい角度となるようにすることが好ましい。
Next, FIG. 3 shows a conceptual diagram of the configuration of the optical modulator according to the present invention. The
The axis of the
また、フォトニック結晶領域2には、電界を変化させるために電圧を印加する電極(図示せず)が設けられている。フォトニック結晶中を伝搬した光を電界を印加しない状態で出力導波路4に結合させるために、入力導波路3及び出力導波路4は、互いに非同一軸上に配置するように、屈折角を考慮して軸ずれΔdを伴って形成されている。
The
半導体量子井戸構造における電界吸収効果の一種である量子閉じ込めシュタルク効果(Quantum Confined Stark Effect, QCSE)で生じる屈折率変化は、一般に数%のオーダである。フォトニック結晶構造がない場合には、屈折角はスネルの法則に従う。したがって、バルクの半導体結晶どうしの界面(屈折率3.2)に光ビームが入射角5°で入射した場合を考えると、一方の屈折率が1%変化することによる屈折角の変化はわずか0.05°である。
これに対し、フォトニック結晶におけるスーパープリズム効果では、屈折率が1%変化することにより、10°前後の偏向が起きる。よって、図3におけるフォトニック結晶領域2のz方向長さが20μmであれば、上の偏向により伝搬後のビームの位置がz軸方向に3.5μmシフトすることになる。一般に、半導体のシングルモード導波路の幅は2μm程度であるから、上記のシフトにより、レーザ光が出力導波路4に結合しなくなる。すなわち、出力導波路4の出力端における光強度は印加電圧によって変調されることになる。
The refractive index change caused by the quantum confined Stark effect (QCSE), which is a kind of electroabsorption effect in a semiconductor quantum well structure, is generally on the order of several percent. In the absence of a photonic crystal structure, the refraction angle follows Snell's law. Therefore, considering the case where the light beam is incident on the interface (refractive index 3.2) between the bulk semiconductor crystals at an incident angle of 5 °, the change in the refractive angle due to the change of one refractive index by 1% is only 0. .05 °.
On the other hand, in the super prism effect in the photonic crystal, when the refractive index changes by 1%, deflection of about 10 ° occurs. Therefore, if the z-direction length of the
この光変調器1の入力導波路3の位置に半導体レーザを配置し、該半導体レーザの導波領域からフォトニック結晶領域2にレーザ光を入射させるものとしてもよい。すなわち、フォトニック結晶領域2を半導体基板上に構成し、入力導波路3の部分に、DFBレーザやDBRレーザなどの劈開による反射鏡形成が不要な半導体レーザをモノリシックに形成することにより、高出力・高速動作が可能で、かつ消光比に優れた小型の変調器集積型半導体レーザを得ることができる。
A semiconductor laser may be disposed at the position of the
本発明に係る光変調器の具体的な実施例について説明する。実施例として、多重量子井戸構造を備えた半導体中に形成されたフォトニック結晶を用い、電圧印加によって電気光学効果による屈折率の変調を起こし、これに基づくスーパープリズム効果を利用してフォトニック結晶中の光の伝搬方向を変調するようにした光変調器について説明する。 Specific examples of the optical modulator according to the present invention will be described. As an example, a photonic crystal formed in a semiconductor having a multiple quantum well structure is used, and a refractive index is modulated by an electro-optic effect by applying a voltage. An optical modulator configured to modulate the propagation direction of light therein will be described.
図4は、実施例1に係る光変調器を示す部分断面断面図である。図3と同様にx、y及びz軸を規定する。光変調器11は、フォトニック結晶領域12、入力導波路領域13及び出力導波路領域14を備えている。
FIG. 4 is a partial cross-sectional view illustrating the optical modulator according to the first embodiment. The x, y, and z axes are defined as in FIG. The
フォトニック結晶領域12は、光変調器11の中央部に20μm角の大きさで形成されており、フォトニック結晶領域12を囲むように光変調器11上面に上部電極15が形成されている。光変調器11下面には下部電極16が形成されている。
The
フォトニック結晶領域12は光屈折率媒質MHを構成する半導体と低屈折率媒質MLである空気孔からなり、半導体は以下の層構造を有している。すなわち、n−InP基板21上に形成されたn−InP下部クラッド層22、ノンドープGaInAsP下部光閉じ込め層23、ノンドープGaInAsP多重量子井戸構造24、ノンドープGaInAsP上部光閉じ込め層25、p−InP上部クラッド層26及びp−GaInAsPコンタクト層27からなる層構造である。
また、低屈折率媒質MLである空気孔は、ノンドープGaInAsP多重量子井戸活性層24を貫通するように、光変調器11の上面からn−InP下部クラッド層22の途中まで貫通して設けらている。
The air hole is the low refractive index medium M L so as to penetrate the non-doped GaInAsP multiple quantum well
入力導波路領域13及び出力導波路領域14は、フォトニック結晶領域12と共通のn−InP基板21上に、ノンドープInP下部クラッド層28、ノンドープGaInAsP導波路層29、ノンドープInP上部クラッド層30、p−InP上部クラッド層26及びp−GaInAsPコンタクト層27が形成された層構造からなっている。入力導波路領域13及び出力導波路領域14においては、x軸方向について光を閉じ込めるために、FeドープInP埋込み層32により埋め込まれたメサストライプ構造を有し、幅wの導波路を形成している。
The
フォトニック結晶領域12におけるフォトニック結晶パターンは、図1に示したようなパターンであり、格子定数a=651nm、低屈折率媒質(空気孔)MLの直径b=391nmとした。入力導波路の軸とフォトニック結晶のΓ−K方向とのなす角度は10°とした。(なお、aとbの比や、前記角度は、図4においては必ずしも正確に表されていない。)
また、入力導波路と出力導波路には、電圧を印加しない状態でのフォトニック結晶から出射される光の屈折角を考慮して、3μmの軸ずれを設けた。この屈折角は、フォトニック結晶の構造パラメータであるa、bや、入出力導波路の軸とフォトニック結晶の対称軸とのなす角度などによって異なってくるものである。したがって、上記パラメータや角度の設計値に応じて、屈折角をあらかじめ経験的あるいは理論的に求めておくことが重要である。
Photonic crystal pattern in the
Further, the input waveguide and the output waveguide were provided with an axis deviation of 3 μm in consideration of the refraction angle of the light emitted from the photonic crystal without applying a voltage. This refraction angle varies depending on a and b, which are structural parameters of the photonic crystal, and an angle formed between the axis of the input / output waveguide and the symmetry axis of the photonic crystal. Therefore, it is important to obtain the refraction angle in advance empirically or theoretically in accordance with the design values of the parameters and angles.
次に、この実施例1の光変調器の製造方法について、図5〜8を参照しながら説明する。 Next, a method for manufacturing the optical modulator according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
まず、図5(a)に示すように、有機金属気相成長(MOCVD)法を用いて、n−InP基板21上に、n−InP下部クラッド層22、ノンドープGaInAsP下部光閉じ込め層23、ノンドープGaInAsP多重量子井戸構造24(量子井戸層のバンドギャップ波長1.54μm)、ノンドープGaInAsP上部光閉じ込め層25、薄いノンドープInP層(図示せず)、p−InP上部クラッド層26を順に積層してウエハを作製する。このウエハの表面に、SiNx膜40をプラズマCVD法により成膜しSiNx膜40の上にフォトリソグラフィを用いて20μm角パターンのフォトレジスト膜41を形成する。このフォトレジスト膜41の形成された領域が、のちにフォトニック結晶領域12(図4参照)となる。フォトレジスト膜41をマスクとしてSiNx膜40をドライエッチングすることにより、図5(b)に示すように、上記パターンをSiNx膜40に転写した後、酸素プラズマを用いてフォトレジスト膜41を除去する。
First, as shown in FIG. 5A, an n-InP
図6(a)に示すように、SiNx膜40をマスクとして、p−InP上部クラッド層26、ノンドープGaInAsP上部光閉じ込め層25、ノンドープGaInAsP多重量子井戸構造24、ノンドープGaInAsP下部光閉じ込め層23をエッチングし、更にn−InP下部クラッド層22の一部もエッチングする。
As shown in FIG. 6A, using the SiN x film 40 as a mask, the p-InP
次に、図6(b)に示すように、SiNx40を選択成長マスクとして、エッチングされた領域にノンドープInP下部クラッド層28、バンドギャップ波長1.3μmのノンドープGaInAsP導波路層29(膜厚0.2μm)、ノンドープInP上部クラッド層30を順にMOCVD法を用いて積層する。
Next, as shown in FIG. 6B, using the
図6(c)に示すように、SiNx膜40をドライエッチングにより除去した後、MOCVD法により、ウエハ全体にp−InP上部クラッド層26、p−GaInAsPコンタクト層27を積層する。
As shown in FIG. 6C, after the SiN x film 40 is removed by dry etching, a p-InP upper clad
次に、図7(a)に示すように、ウエハ表面にSiNx膜42をプラズマCVD法により成膜し、フォトリソグラフィを用いて入出力導波路パターンと、のちにフォトニック結晶領域12(図4参照)となる領域を覆う矩形パターンのフォトレジスト膜43を形成する。
Next, as shown in FIG. 7A, an SiN x film 42 is formed on the wafer surface by a plasma CVD method, an input / output waveguide pattern is formed by photolithography, and the photonic crystal region 12 (see FIG. 7). 4), a rectangular pattern of the
次に、このフォトレジスト膜43をマスクとしてSiNx膜42をドライエッチングすることにより、図7(b)に示すように、上記のパターンをSiNx膜42に転写した後、酸素プラズマを用いてフォトレジスト膜43を除去する。
Next, the SiN x film 42 is dry-etched using the
続いて、図8(a)に示すように、SiNx膜42をマスクとして、p−GaInAsPコンタクト層27、p−InP上部クラッド層26、ノンドープInP上部クラッド層30、ノンドープGaInAsP導波路層29、ノンドープInP下部クラッド層28をエッチングし、更にn−InP下部クラッド層22の一部もエッチングする。
Subsequently, as shown in FIG. 8A, using the SiN x film 42 as a mask, the p-
次に、図8(b)に示すようにMOCVD法を用いて、エッチングされた領域に、p−GaInAsPコンタクト層27と同程度の高さに再成長表面が位置するように、高抵抗のFeドープInP埋込み層32を成長させる。
Next, as shown in FIG. 8B, using the MOCVD method, a high resistance Fe film is formed so that the regrowth surface is located at the same height as the p-
マスクとして用いたSiNx膜42を除去した後、図9(a)に示すように、ウエハの表面全体に、SiNx膜44をプラズマCVD法により成膜し、電子ビーム描画装置を用いて、フォトニック結晶領域12に、パターニングされた電子ビームレジスト膜45を形成する。
After removing the SiN x film 42 used as a mask, as shown in FIG. 9A, an SiN x film 44 is formed on the entire surface of the wafer by plasma CVD, and an electron beam lithography apparatus is used. A patterned electron beam resist
この電子ビームレジスト膜45をマスクとしてSiNx膜44をドライエッチングすることにより、図9(b)に示すように、フォトニック結晶パターンをSiNx膜44に転写する。
Using this electron beam resist
次に、反応性イオンエッチング(RIE)により、n−InP下部クラッド層22に達する深さ(図4参照)までエッチングする。その後、SiNx膜44をドライエッチングにより除去する。
Next, etching is performed to a depth (see FIG. 4) reaching the n-InP
最後に、フォトニック結晶パターンの外周部に接するように、リフトオフ法を用いて上部電極15を形成したのち、n−InP基板21の裏面に下部電極16を形成して、図4に示した光変調器11が完成する。
Finally, after the
この光変調器11のフォトニック結晶領域12に印加した電圧と、出力導波路領域14にける出力端からの光出力との関係を図10に示す。入射光は波長1.55μmのレーザ光とし、偏波保持ファイバを用いて、光変調器のTEモードに結合させた。電圧を印加しない状態での出力端からの光出力は10mWである。印加電圧3Vにおいて、消光比20dBが得られた。
The relationship between the voltage applied to the
以上説明したように、本発明の光変調器は、多重量子井戸構造の屈折率変化に基づきフォトニック結晶中で起こるスーパープリズム効果を利用しているため、従来のキャリアの発生を伴う吸収型変調器に比べて、高入力時にも高速動作が可能であり、かつ高い消光比が得られるという利点を有する。 As described above, the optical modulator according to the present invention uses the super prism effect that occurs in the photonic crystal based on the change in the refractive index of the multiple quantum well structure, so that conventional absorption modulation with generation of carriers is performed. Compared to a device, it has the advantages of being capable of high-speed operation even at high input and providing a high extinction ratio.
本実施例では、配列の最小単位が正三角形である三角格子のフォトニック結晶構造を用いたが、配列の最小単位は厳密な正三角形でなくてもよいし、また、最小単位が正方形(または略正方形)である正方格子のフォトニック結晶を用いた場合でも、同様な性能を持つ光変調器を実現可能である。 In this embodiment, a photonic crystal structure having a triangular lattice in which the minimum unit of the array is a regular triangle is used. However, the minimum unit of the array may not be a strict regular triangle, and the minimum unit may be a square (or Even when a square lattice photonic crystal having a substantially square shape is used, an optical modulator having similar performance can be realized.
また、入射光がTM偏波である場合(偏波保持ファイバなどで入射光をTM偏波に制御した場合や、引張歪量子井戸レーザなどTM偏波で発振する半導体レーザと集積した場合など)においても、TM偏波でのフォトニック結晶バンド構造に基づいてフォトニック結晶パラメータを設計することにより、同様な性能を持つ光変調器を実現可能である。 Also, when the incident light is TM polarized (when the incident light is controlled to TM polarized by a polarization maintaining fiber, or when integrated with a semiconductor laser that oscillates with TM polarization such as a tensile strain quantum well laser) However, it is possible to realize an optical modulator having similar performance by designing photonic crystal parameters based on the photonic crystal band structure with TM polarization.
また、本実施例では出力導波路が一本であるが、出力導波路を二本以上とすることで、フォトニック結晶領域を伝搬した光が結合する導波路を電界の印加により選択可能である光スイッチとして使用することも可能になる。 In this embodiment, there is one output waveguide, but by using two or more output waveguides, a waveguide to which light propagated through the photonic crystal region is coupled can be selected by applying an electric field. It can also be used as an optical switch.
また、図3のように出力導波路を設けるかわりに、フォトニック結晶に光出力面を形成して、出射光を外部の光取出し手段と結合させるようにしてもよい。この場合の模式図を図11に示す。入力導波路3からフォトニック結晶領域2に入射した光は、フォトニック結晶中を伝搬し、フォトニック結晶領域2の出射側に設けられた光出射端面50から出射する。光出射端面50の近くには、電圧を印加しない状態での屈折角を考慮した位置に、光ファイバやレンズなどの光取出し手段51が設けられている。フォトニック結晶に電圧を印加することによりフォトニック結晶の屈折率が変化し、屈折率変化に応じて、スーパープリズム効果による伝搬方向の変化と光出射端面50からの出射角の変化の両方が起こり、光取出し手段51への結合効率が変化するものとなる。
Further, instead of providing an output waveguide as shown in FIG. 3, a light output surface may be formed on the photonic crystal so that the emitted light is coupled to an external light extraction means. A schematic diagram in this case is shown in FIG. The light incident on the
一般にEA変調器で問題になるチャーピングは、屈折率変化による出射面での位相変調に起因するものであるが、本発明の上記構成では、光の伝搬長がEA変調器の場合の1/10程度と短いため、チャーピングも非常に小さいものとなる。 In general, chirping that is a problem in the EA modulator is caused by phase modulation on the exit surface due to a change in refractive index. However, in the above-described configuration of the present invention, the light propagation length is 1 / in the case of the EA modulator. Since it is as short as about 10, chirping is very small.
なお、本発明を光集積回路に適用する場合に、比較的低い速度(応答時間が1ns又はそれ以上)で十分な場合には、電圧の印加によらないで、電流注入によるプラズマ効果を利用した屈折率変化、あるいは熱の注入による屈折率変化を利用してもよい。 When the present invention is applied to an optical integrated circuit, if a relatively low speed (response time of 1 ns or more) is sufficient, the plasma effect by current injection is used without applying voltage. A change in refractive index or a change in refractive index due to heat injection may be used.
1 光変調器
2 フォトニック結晶領域
3 入力導波路
4 出力導波路
5 電極
11 光変調器
12 フォトニック結晶領域
13 入力導波路領域
14 出力導波路領域
15 上部電極
16 下部電極
21 n−InP基板
22 n−InP下部クラッド層
23 ノンドープGaInAsP下部光閉じ込め層
24 ノンドープGaInAsP多重量子井戸構造
25 ノンドープGaInAsP上部光閉じ込め層
26 p−InP上部クラッド層
27 p-GaInAsPコンタクト層
28 ノンドープInP下部クラッド層
29 ノンドープGaInAsP導波路層
30 ノンドープInP上部クラッド層
32 FeドープInP埋込み層
40 SiNx膜
41 フォトレジスト膜
42 SiNx膜
43 フォトレジスト膜
44 SiNx膜
45 電子ビームレジスト膜
50 光出射端面
51 光取出し手段
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記フォトニック結晶に光を所定の方向から入射させる光入射部と、前記フォトニック結晶から光を取り出す光出射部と、前記フォトニック結晶に電圧あるいは電流を印加する電極とを有し、かつ、前記フォトニック結晶中に多重量子井戸構造が形成されており、
前記電圧あるいは電流の印加により前記フォトニック結晶中の光の伝搬方向が変化することを特徴とするフォトニック結晶半導体デバイス。 In a photonic crystal semiconductor device using a photonic crystal formed on a semiconductor substrate and having a two-dimensional refractive index periodic structure in the wavelength order of light,
A light incident part that makes light incident on the photonic crystal from a predetermined direction; a light emitting part that extracts light from the photonic crystal; and an electrode that applies a voltage or current to the photonic crystal; and A multiple quantum well structure is formed in the photonic crystal,
A photonic crystal semiconductor device, wherein a propagation direction of light in the photonic crystal is changed by application of the voltage or current.
9. A semiconductor laser integrated device, wherein a semiconductor laser is formed monolithically with the photonic crystal device according to claim 1 on a semiconductor substrate.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004231955A JP2006047895A (en) | 2004-08-09 | 2004-08-09 | Photonic crystal semiconductor device and semiconductor laser integrated device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004231955A JP2006047895A (en) | 2004-08-09 | 2004-08-09 | Photonic crystal semiconductor device and semiconductor laser integrated device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006047895A true JP2006047895A (en) | 2006-02-16 |
Family
ID=36026495
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004231955A Pending JP2006047895A (en) | 2004-08-09 | 2004-08-09 | Photonic crystal semiconductor device and semiconductor laser integrated device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2006047895A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008078418A (en) * | 2006-09-21 | 2008-04-03 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Photonic crystal optical element |
WO2011027555A1 (en) * | 2009-09-01 | 2011-03-10 | 日本電信電話株式会社 | Photonic crystal device |
WO2013084961A1 (en) * | 2011-12-06 | 2013-06-13 | 国立大学法人京都大学 | Semiconductor laser element and laser beam deflecting device |
JP2014082258A (en) * | 2012-10-15 | 2014-05-08 | Kyoto Univ | Semiconductor laser element and semiconductor laser module |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH1124114A (en) * | 1997-07-03 | 1999-01-29 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Optical function element |
JP2001305498A (en) * | 2000-04-26 | 2001-10-31 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Semiconductor optical modulator |
JP2002071982A (en) * | 2000-09-01 | 2002-03-12 | Fuji Photo Film Co Ltd | Optical element, optical deflector, optical multiplexer, and scanning device |
JP2002303836A (en) * | 2001-04-04 | 2002-10-18 | Nec Corp | Optical switch with photonic crystal structure |
JP2003149419A (en) * | 2001-11-12 | 2003-05-21 | Ricoh Co Ltd | Optical scanner and image forming device |
JP2003298183A (en) * | 2002-04-05 | 2003-10-17 | Hitachi Cable Ltd | Compound semiconductor laser and compound semiconductor laser element |
JP2004138873A (en) * | 2002-10-18 | 2004-05-13 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Waveguide optical modulator |
-
2004
- 2004-08-09 JP JP2004231955A patent/JP2006047895A/en active Pending
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH1124114A (en) * | 1997-07-03 | 1999-01-29 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Optical function element |
JP2001305498A (en) * | 2000-04-26 | 2001-10-31 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Semiconductor optical modulator |
JP2002071982A (en) * | 2000-09-01 | 2002-03-12 | Fuji Photo Film Co Ltd | Optical element, optical deflector, optical multiplexer, and scanning device |
JP2002303836A (en) * | 2001-04-04 | 2002-10-18 | Nec Corp | Optical switch with photonic crystal structure |
JP2003149419A (en) * | 2001-11-12 | 2003-05-21 | Ricoh Co Ltd | Optical scanner and image forming device |
JP2003298183A (en) * | 2002-04-05 | 2003-10-17 | Hitachi Cable Ltd | Compound semiconductor laser and compound semiconductor laser element |
JP2004138873A (en) * | 2002-10-18 | 2004-05-13 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Waveguide optical modulator |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008078418A (en) * | 2006-09-21 | 2008-04-03 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Photonic crystal optical element |
WO2011027555A1 (en) * | 2009-09-01 | 2011-03-10 | 日本電信電話株式会社 | Photonic crystal device |
US8462827B2 (en) | 2009-09-01 | 2013-06-11 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Photonic crystal device |
JP5363578B2 (en) * | 2009-09-01 | 2013-12-11 | 日本電信電話株式会社 | Photonic crystal device |
WO2013084961A1 (en) * | 2011-12-06 | 2013-06-13 | 国立大学法人京都大学 | Semiconductor laser element and laser beam deflecting device |
JP2013120801A (en) * | 2011-12-06 | 2013-06-17 | Kyoto Univ | Semiconductor laser element and laser beam deflector |
CN103988379A (en) * | 2011-12-06 | 2014-08-13 | 国立大学法人京都大学 | Semiconductor laser element and laser beam deflecting device |
US9048624B2 (en) | 2011-12-06 | 2015-06-02 | Kyoto University | Semiconductor laser element and laser beam deflecting device |
JP2014082258A (en) * | 2012-10-15 | 2014-05-08 | Kyoto Univ | Semiconductor laser element and semiconductor laser module |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7263251B2 (en) | Optical switch having photonic crystal structure | |
JP5206187B2 (en) | Optical semiconductor device | |
US20170317471A1 (en) | An optical device and a method for fabricating thereof | |
JPH0521904A (en) | Semiconductor optical controlling element and manufacture thereof | |
WO2006036242A1 (en) | Gain-assisted electroabsorption modulators | |
JP5545847B2 (en) | Optical semiconductor device | |
US9077152B2 (en) | Laser device having a looped cavity capable of being functionalized | |
JP5189956B2 (en) | Optical signal processing device | |
JP2004253811A (en) | Semiconductor light emitting device and its manufacturing method | |
JP2019008179A (en) | Semiconductor optical element | |
Bakir et al. | Heterogeneously integrated III-V on silicon lasers | |
JPS61168980A (en) | Semiconductor light-emitting element | |
JP2005274927A (en) | Photonic crystal device | |
JP2947142B2 (en) | Tunable semiconductor laser | |
AU2001288026A1 (en) | A multisegment integrated laser and a method for fabrication thereof | |
JP2006047895A (en) | Photonic crystal semiconductor device and semiconductor laser integrated device | |
JP6083644B2 (en) | Integrated semiconductor light source | |
JP6927153B2 (en) | Semiconductor laser | |
CN108808442B (en) | Multi-wavelength distributed feedback semiconductor laser array and preparation method thereof | |
JPH09293927A (en) | Optical semiconductor laser | |
JP2860666B2 (en) | Optical function element | |
JP6947113B2 (en) | Semiconductor optical device | |
US7064881B2 (en) | InP-based phase modulators and methods for making and using same | |
JP2015109303A (en) | Wavelength variable laser light source | |
Takeda et al. | Experimental study on wavelength tunability of all-optical flip-flop based on multimode-interference bistable laser diode |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20070601 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20100311 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100315 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20100716 |