JP2006047895A - Photonic crystal semiconductor device and semiconductor laser integrated device - Google Patents

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則之 横内
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize an optical modulator which has low chirping properties and a sufficient extinction ratio and enables high speed operation even when high speed input is performed and integration with a semiconductor laser. <P>SOLUTION: A photonic crystal semiconductor device using a photonic crystal formed on a semiconductor substrate and having a periodical structure of two-dimensional refractive index in order of an optical wavelength has a light incident part (13) making light incident on the photonic crystal (12) from a prescribed direction, a light emitting part (14) taking out light from the photonic crystal and an electrode (15) applying voltage or current to the photonic crystal. A multiple quantum well structure (24) is formed in the photonic crystal (12) and the transmission direction of light in the photonic crystal (12) is changed by applying voltage or current to the crystal. In particular, an angle formed by the incident direction of light and either one symmetrical axis of the periodical structure is specified to be made larger than 0° and smaller than 15°. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

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、LiNbO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(PbLaZrTiO)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 Document 2 discloses a device that electrically controls the super prism effect by applying a voltage to a photonic crystal using a PLZT (PbLaZrTiO 3 ) crystal.

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。
Toshihiko Baba and Masanori Nakamura, ''Photonic Crystal Light Deflection Devices Using the Superprism Effect'', IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.38, No.7,July 2002,p.909-914 David Scrymgeour, Natalia Malkovia, Sungwon Kim and Venkatraman Gopalan, ''Electro-optic control of superprism effect in photonic crystals'', Applied Physics Letters, Vol.82, No.19, 12 May 2003, P.3176-3178 特開2002−196296号公報
In this regard, as disclosed in Patent Document 1, an optical modulator using a semiconductor photonic crystal has also been proposed. The optical modulator shown in Embodiment 4 of Patent Document 1 includes a waveguide formed in a photonic crystal and an electrode that changes the photonic band gap by applying an electric field to the waveguide. The exit end face of the waveguide is formed to be inclined with respect to the waveguide direction. This optical modulator realizes modulation of a photonic band gap → modulation of a refractive index of a photonic crystal → modulation of a light emission angle from an emission end face by applying a voltage.
Toshihiko Baba and Masanori Nakamura, `` Photonic Crystal Light Deflection Devices Using the Superprism Effect '', IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.38, No.7, July 2002, p.909-914 David Scrymgeour, Natalia Malkovia, Sungwon Kim and Venkatraman Gopalan, `` Electro-optic control of superprism effect in photonic crystals '', Applied Physics Letters, Vol.82, No.19, 12 May 2003, P.3176-3178 JP 2002-196296 A

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 Patent Document 1 does not actively use the super prism effect in the photonic crystal, but only uses the modulation of the emission angle accompanying the modulation of the refractive index of the semiconductor photonic crystal. Therefore, a large spatial modulation width could not be obtained, and a sufficient extinction ratio could not be expected.

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M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M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Mの屈折率を3.2(半導体結晶)とし、低屈折率媒質M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、k(=2π/λ)>0.3×2π/a (k: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 index medium M L 2 Shown in The vertical axis represents the frequency of incident light normalized by the lattice constant a. FIG. 2 shows the TE mode (the electric field of incident light exists only in the direction orthogonal to the air holes). Since the dispersion curve (relationship between wave vector and normalized frequency) of the lowest order energy (basic mode) in FIG. 2 is almost the same as that without the photonic crystal structure, the super prism effect cannot be expected. Therefore, in order to use the super prism effect, the energy of incident light needs to correspond to a high-order energy level. For this purpose, as shown in FIG. 2, the photonic is set so that k 0 (= 2π / λ)> 0.3 × 2π / a (k 0 : propagation constant in vacuum) with respect to the wavelength λ of the incident light. It is necessary to set the lattice constant a of the crystal.

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 optical modulator 1 includes a photonic crystal region 2, an input waveguide 3, and an output waveguide 4. The y-axis in the direction of the rod of the air hole constituting the photonic crystal (direction perpendicular to the paper surface), the z-axis in the waveguide direction in the waveguide, and the x-axis in the direction perpendicular to the y-axis and z-axis Take and explain.
The axis of the input waveguide 3 is tilted so as to have angles θ1 and θ2 other than 0 ° with respect to the symmetry axes Γ-M and Γ-K of the periodic array in the photonic crystal region 2. In other words, the photonic crystal pattern is designed so that neither the symmetry axis Γ-M nor Γ-K matches the z-axis. This is because the super prism effect cannot be obtained when light is incident parallel to one of these symmetry axes. It is preferable that either one of the angles θ1 and θ2 is greater than 0 ° and smaller than 15 °.

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 photonic crystal region 2 is provided with an electrode (not shown) for applying a voltage to change the electric field. In order to couple light propagating through the photonic crystal to the output waveguide 4 without applying an electric field, the input waveguide 3 and the output waveguide 4 have a refraction angle so as to be arranged on non-coaxial axes. In consideration of the axis deviation, it is formed with Δd.

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 photonic crystal region 2 in FIG. 3 is 20 μm, the position of the beam after propagation is shifted by 3.5 μm in the z-axis direction due to the above deflection. In general, since the width of a semiconductor single mode waveguide is about 2 μm, the laser beam is not coupled to the output waveguide 4 by the above shift. That is, the light intensity at the output end of the output waveguide 4 is modulated by the applied voltage.

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 input waveguide 3 of the optical modulator 1, and laser light may be incident on the photonic crystal region 2 from the waveguide region of the semiconductor laser. That is, by forming the photonic crystal region 2 on a semiconductor substrate and forming a monolithic semiconductor laser that does not require the formation of a reflecting mirror such as a DFB laser or a DBR laser in the input waveguide 3 portion, a high output A small modulator integrated semiconductor laser capable of high-speed operation and excellent extinction ratio can be obtained.

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 optical modulator 11 includes a photonic crystal region 12, an input waveguide region 13, and an output waveguide region 14.

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 photonic crystal region 12 is formed in a central portion of the optical modulator 11 with a size of 20 μm square, and an upper electrode 15 is formed on the upper surface of the optical modulator 11 so as to surround the photonic crystal region 12. A lower electrode 16 is formed on the lower surface of the optical modulator 11.

フォトニック結晶領域12は光屈折率媒質Mを構成する半導体と低屈折率媒質M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。 Photonic crystal region 12 is made the air hole is a semiconductor and the low refractive index medium M L constituting the optical refractive index medium M H, a semiconductor has the following layer structure. That is, an n-InP lower cladding layer 22, an undoped GaInAsP lower optical confinement layer 23, an undoped GaInAsP multiple quantum well structure 24, an undoped GaInAsP upper optical confinement layer 25, and a p-InP upper cladding layer formed on the n-InP substrate 21. 26 and a p-GaInAsP contact layer 27.

また、低屈折率媒質M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 active layer 24, et provided through from an upper surface of the optical modulator 11 to the middle of the n-InP lower cladding layer 22 ing.

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 input waveguide region 13 and the output waveguide region 14 are formed on an n-InP substrate 21 common to the photonic crystal region 12, on a non-doped InP lower cladding layer 28, a non-doped GaInAsP waveguide layer 29, a non-doped InP upper cladding layer 30, The p-InP upper clad layer 26 and the p-GaInAsP contact layer 27 are formed in a layer structure. The input waveguide region 13 and the output waveguide region 14 have a mesa stripe structure embedded with an Fe-doped InP embedded layer 32 in order to confine light in the x-axis direction, and form a waveguide having a width w. Yes.

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)M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 photonic crystal region 12 is a pattern as shown in FIG. 1, the lattice constant a = 651 nm, and the low refractive index medium diameter b = 391 nm of the (air holes) M L. The angle between the axis of the input waveguide and the Γ-K direction of the photonic crystal was 10 °. (Note that the ratio of a to b and the angle are not necessarily accurately shown in FIG. 4).
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、SiN膜40をプラズマCVD法により成膜しSiN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SiN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SiN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 lower cladding layer 22, an undoped GaInAsP lower optical confinement layer 23, an undoped layer are formed on an n-InP substrate 21 by using a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. GaInAsP multiple quantum well structure 24 (band gap wavelength of quantum well layer 1.54 μm), non-doped GaInAsP upper optical confinement layer 25, thin non-doped InP layer (not shown), p-InP upper clad layer 26 are laminated in order. Is made. A SiN x film 40 is formed on the surface of the wafer by plasma CVD, and a 20 μm square pattern photoresist film 41 is formed on the SiN x film 40 using photolithography. The region where the photoresist film 41 is formed later becomes the photonic crystal region 12 (see FIG. 4). The SiN x film 40 is dry-etched using the photoresist film 41 as a mask to transfer the pattern onto the SiN x film 40 as shown in FIG. 5B, and then the photoresist film 41 is formed using oxygen plasma. Remove.

図6(a)に示すように、SiN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 upper cladding layer 26, the non-doped GaInAsP upper optical confinement layer 25, the non-doped GaInAsP multiple quantum well structure 24, and the non-doped GaInAsP lower optical confinement layer 23 are formed. Etching is performed and a part of the n-InP lower cladding layer 22 is also etched.

次に、図6(b)に示すように、SiN40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 SiN x 40 as a selective growth mask, the etched region is a non-doped InP lower cladding layer 28, and a non-doped GaInAsP waveguide layer 29 (film thickness) having a band gap wavelength of 1.3 μm. 0.2 μm) and a non-doped InP upper clad layer 30 are sequentially laminated by using the MOCVD method.

図6(c)に示すように、SiN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 layer 26 and a p-GaInAsP contact layer 27 are stacked on the entire wafer by MOCVD.

次に、図7(a)に示すように、ウエハ表面にSiN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 photoresist film 43 is formed.

次に、このフォトレジスト膜43をマスクとしてSiN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SiN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 photoresist film 43 as a mask to transfer the above pattern to the SiN x film 42 as shown in FIG. 7B, and then using oxygen plasma. The photoresist film 43 is removed.

続いて、図8(a)に示すように、SiN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-GaInAsP contact layer 27, the p-InP upper clad layer 26, the non-doped InP upper clad layer 30, the non-doped GaInAsP waveguide layer 29, The non-doped InP lower cladding layer 28 is etched, and a part of the n-InP lower cladding layer 22 is also etched.

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-GaInAsP contact layer 27 in the etched region. A doped InP buried layer 32 is grown.

マスクとして用いたSiN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、SiN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 film 45 is formed in the photonic crystal region 12.

この電子ビームレジスト膜45をマスクとしてSiN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SiN膜44に転写する。 Using this electron beam resist film 45 as a mask, the SiN x film 44 is dry-etched to transfer the photonic crystal pattern to the SiN x film 44 as shown in FIG. 9B.

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、SiN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 lower cladding layer 22 by reactive ion etching (RIE). Thereafter, the SiN x film 44 is removed by dry etching.

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 upper electrode 15 is formed using the lift-off method so as to contact the outer peripheral portion of the photonic crystal pattern, the lower electrode 16 is formed on the back surface of the n-InP substrate 21, and the light shown in FIG. The modulator 11 is completed.

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 photonic crystal region 12 of the optical modulator 11 and the light output from the output end in the output waveguide region 14 is shown in FIG. Incident light was laser light having a wavelength of 1.55 μm, and was coupled to the TE mode of the optical modulator using a polarization maintaining fiber. The light output from the output end when no voltage is applied is 10 mW. An extinction ratio of 20 dB was obtained at an applied voltage of 3V.

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 photonic crystal region 2 from the input waveguide 3 propagates through the photonic crystal and is emitted from the light emitting end face 50 provided on the emission side of the photonic crystal region 2. Near the light emitting end face 50, a light extraction means 51 such as an optical fiber or a lens is provided at a position in consideration of the refraction angle when no voltage is applied. By applying a voltage to the photonic crystal, the refractive index of the photonic crystal changes, and in accordance with the change in the refractive index, both a change in the propagation direction due to the super prism effect and a change in the emission angle from the light exit end face 50 occur. Then, the coupling efficiency to the light extraction means 51 changes.

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.

二次元フォトニック結晶の模式図である。It is a schematic diagram of a two-dimensional photonic crystal. 図1に示したフォトニック結晶構造のエネルギーバンド図である。FIG. 2 is an energy band diagram of the photonic crystal structure shown in FIG. 1. 本発明に係る光変調器の構成の概念図である。It is a conceptual diagram of the structure of the optical modulator which concerns on this invention. 本発明の実施例1に係る光変調器を示す部分断面斜視図である。It is a fragmentary sectional perspective view which shows the optical modulator which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る光変調器の製造方法を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the manufacturing method of the optical modulator which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る光変調器の製造方法を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the manufacturing method of the optical modulator which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る光変調器の製造方法を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the manufacturing method of the optical modulator which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る光変調器の製造方法を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the manufacturing method of the optical modulator which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る光変調器の製造方法を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the manufacturing method of the optical modulator which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例1に係る光変調器の印加電圧と光出力との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the applied voltage and optical output of the optical modulator which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の変形例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the modification of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

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 SiN
41 フォトレジスト膜
42 SiN
43 フォトレジスト膜
44 SiN
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 SYMBOLS 1 Optical modulator 2 Photonic crystal region 3 Input waveguide 4 Output waveguide 5 Electrode 11 Optical modulator 12 Photonic crystal region 13 Input waveguide region 14 Output waveguide region 15 Upper electrode 16 Lower electrode 21 n-InP substrate 22 n-InP lower cladding layer 23 non-doped GaInAsP lower optical confinement layer 24 non-doped GaInAsP multiple quantum well structure 25 non-doped GaInAsP upper optical confinement layer 26 p-InP upper cladding layer 27 p-GaInAsP contact layer 28 non-doped InP lower cladding layer 29 non-doped GaInAsP conducting waveguide layer 30 non-doped InP upper clad layer 32 Fe-doped InP burying layer 40 SiN x film 41 a photoresist film 42 SiN x film 43 a photoresist film 44 SiN x film 45 electron beam resist film 50 light emitting Surface 51 the light extraction means

Claims (9)

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。
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.
前記フォトニック結晶は、空気孔ロッドが周期配列をなすことにより形成されていることを特徴とする請求項1に記載のフォトニック結晶半導体デバイス。 The photonic crystal semiconductor device according to claim 1, wherein the photonic crystal is formed by air hole rods having a periodic arrangement. 前記空気孔ロッドの周期配列が、略正三角形を最小単位とすることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のフォトニック結晶半導体デバイス。 The photonic crystal semiconductor device according to claim 1, wherein the periodic arrangement of the air hole rods has a substantially equilateral triangle as a minimum unit. 前記空気孔ロッドの周期配列が、略正方形を最小単位とすることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のフォトニック結晶半導体デバイス。 3. The photonic crystal semiconductor device according to claim 1, wherein the periodic arrangement of the air hole rods has a substantially square as a minimum unit. 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°より小さいことを特徴とする請求項2〜4のいずれか一項に記載のフォトニック結晶半導体デバイス。 5. The photonic crystal according to claim 2, wherein an angle formed between the incident direction of the light and any one axis of symmetry of the periodic array is greater than 0 ° and smaller than 15 °. Semiconductor device. 前記入射部に第一の半導体導波路が接続されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のフォトニック結晶半導体デバイス。 The photonic crystal semiconductor device according to claim 1, wherein a first semiconductor waveguide is connected to the incident portion. 前記光出射部に第二の半導体光導波路が形成されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体レーザ集積デバイス。 The semiconductor laser integrated device according to claim 1, wherein a second semiconductor optical waveguide is formed in the light emitting portion. 前記第一の半導体導波路と前記第二の半導体導波路が非同一軸上に配置されていることを特徴とする請求項7に記載の半導体レーザ集積デバイス。 8. The semiconductor laser integrated device according to claim 7, wherein the first semiconductor waveguide and the second semiconductor waveguide are arranged on non-coaxial axes. 半導体基板上に、半導体レーザが請求項1〜8のいずれか一項に記載の前記フォトニック結晶デバイスとモノリシックに形成されていることを特徴とする半導体レーザ集積デバイス。
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.
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