JP2009016883A - 光半導体素子および光半導体集積回路 - Google Patents
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- H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
- H01S5/2205—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers
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- H01S5/227—Buried mesa structure ; Striped active layer
Abstract
【解決手段】第1導波路1201と第2導波領域1202との境界面1204を第1導波路1201の光の伝播方向に対して傾くように配置し、第2導波領域1202と第3導波路1203との境界面1205を第1導波路1201と第2導波領域1202との境界面1204における光の屈折方向の延長線上に対して傾くように配置し、第2導波領域1202と第3導波路1203との境界面1205における光の屈折方向が第3導波路1203の光の伝播方向に一致するように設定する。
【選択図】図26
Description
mλB=2nΛ ・・・(1)
に従って変化するためである。ここで、mは回折の次数、Λは回折格子の周期である。
∂/∂T(nDLD+nRLR)
=LD∂nD/∂T+nD∂LD/∂T+LR∂nR/∂T+nR∂LR/∂T=0
・・・(2)
ただし、∂nD/∂Tおよび∂LD/∂Tは通常正であるため、∂nR/∂Tおよび∂LR/∂Tは負となる。
R=((N1−N2)/(N1+N2))2 ・・・(3)
ここで、入射角θ1がブリュースター(Brewster)角θBに一致する場合、入射面に平行な成分の反射をなくすことができ、ブリュースター角θBは、以下の(5)式で表すことができる。
ところで、一般的に、半導体導波路には、埋め込みヘテロ(HB)構造やリッジ構造などが広く用いられている。そして、半導体のエッチングや埋め込み成長では、エッチングや埋め込みに適した結晶方位が存在する。
題があり、さらなる改善が望まれる。
本発明の第1の実施形態に係る半導体レーザについて図面を参照しながら説明する。この第1の実施形態によれば、屈折率の温度特性の異なる材料を組み合わせて、発振波長の温度依存性を制御することが可能な半導体レーザを提供することができる。以下、本実施形態に係るいくつかの具体的な実施例について説明する。
次に、本発明の第2の実施形態に係る集積光導波路について図面を参照しながら説明する。この第2の実施形態によれば、半導体光導波路とその半導体光導波路とは屈折率の異なる材料からなる光導波路との集積構造、ならびにこれを用いた光半導体素子および光半導体集積回路を提供することができる。特に、本実施形態により、屈折率の異なる材料が接合された界面において反射を低減させることが可能となる。以下、本実施形態に係るいくつかの具体的な実施例について説明する。
N1d1>λ/2n、N2d2>λ/2m、N1d1+N2d2<λ/4(2l+1)
・・・(6)
(l、m、nはn+m=lの関係を満たす整数)
もしくは、
N1d1<λ/2n、N2d2<λ/2m、N1d1+N2d2>λ/4(2l+1)
・・・(7)
(l、m、nはn+m=l−1の関係を満たす整数)
の範囲で示すことができる。
N1d1>nλ/2±δx、
N2d2>mλ/2±δx、
N1d1+N2d2=λ/4×(2l+1)±δx、
となる。これらは、他の三角形の領域でも同様である。
N1d1+N2d2
=±λ/(2π)[cos−1{±(N1 2+N2 2)/(N1+N2)2}+2mπ]
・・・(8)
N1d1−N2d2=λ/2n ・・・(9)
を満たせばよい。これは、各三角形の領域のほぼ中心に相当する。
(nは整数)
図21は、図19の溝部A132、半導体板B132および光導波路領域R132で構成される光導波路の反射率と半導体板B132の厚さd4との関係を示す図である。なお、入射波長は1.55μmとした。
(nは整数)
ここで、図19の全体の光導波路は、光導波路領域R131、溝部A131、半導体板B131および溝部A132で構成される左側光導波路と、溝部A132、半導体板B132および光導波路領域R132で構成される右側光導波路とを接続したものであり、左側光導波路の後端と右側光導波路の前端とは同じ屈折率であるから、この部分では反射は生じない。このため、分割前の光導波路全体を考えても、入射波長λの時、光導波路領域R131と光導波路領域R132との結合部での反射を0とすることができる。これは、溝部A132の幅d3には依存しない。
λ/2(n+1/4)<N1d3<λ/2(n+1)
(nは整数)
とすればよい。また、領域aの波長幅を広げるには、
λ/2(m+3/8)<N1d3<λ/2(m+3/4)
(mは整数)
とすればよい。
次に、本発明の第3の実施形態に係る集積光導波路について図面を参照しながら説明する。この第3の実施形態によれば、導波方向の設計の自由度を向上させることを可能にしつつ、屈折率が互いに異なる導波路間における反射および屈折による導波路損失を低減し、半導体基板上に集積化が可能な光導波路および光デバイスを提供することができる。以下、本実施形態に係るいくつかの具体的な実施例について説明する。
cosθ1=sinθ2
∴θ2=π/2−θ1 ・・・(12)
このため、図28の第2導波領域1402の中点に対して点対称になるように、第1導波路1401および第3導波路1403を第2導波領域1402に接続することにより、第1導波路1401と第2導波領域1402との境界面1404および第2導波領域1402と第3導波路1403との境界面1405における傾斜角をブリュースター角に一致させることを可能としつつ、第1導波路1201と第3導波路1203との方向を互いに平行にすることが可能となる。
θ12=π/2−2θ1 ・・・(13)
図31は、屈折率N1の物質側から屈折率N2の物質側に光が入射した場合の導波方向の成す角θ12と屈折率比N2/N1との関係を示す図である。なお、導波方向の成す角θ12は、図26の構成では、第1導波路1201を光が導波する方向と、第2導波領域1202を光が導波する方向との成す角、図28の構成では、第1導波路1401の方向と第2導波路1402の方向との成す角を示す。
R=|tan(θ1−sin−1(N2/N1sinθ1))/
tan(θ1+sin−1(N2/N1sinθ1))|2 ・・・(14)
ここで、反射率Rが小さくなる入射角θ1として、入射角θ1が0度の時の反射率Rの1/3になる場合を例にとると、ブリュースター角θBの4/5の角度から、ブリュースター角θBより全反射角θAとブリュースター角θBの差の2/3だけ大きい角度の範囲内とすることができる。すなわち、反射率Rが小さくなる入射角θ1は、以下の(16)式により与えることができる。
このように、入射角θ1、つまり、第1導波路1401における光の伝播方向に対する第1導波路1401と第2導波路1402との境界面1404との成す角をブリュースター角θBに一致させることにより、境界面1404に平行な成分の反射率を0とすることができる。通常、導波路を伝播する光は、境界面に平行な成分のみを持つTEモードであるから、第1導波路1401を伝播する光は、境界面1404による損失を受けることなく、第2導波路1402に透過させることができる。また、入射角θ1を(16)式で示される範囲に設定することにより、反射による損失を小さくすることができる。
102,202,302,408a,502 活性層
103,203,303,404,503 温度補償材料
104 活性層
105,205,305,405,505 電極
106,406 電極
107,207,307,407,507 裏面電極
108,208,308,508 反射防止膜
109,209 反射防止膜
110,210,310,408b,510 クラッド層
111,211,312 除去領域
204,409a,409b 半導体層
311,411,511 高反射膜
402 分布ブラッグ反射層
403 活性領域
512 反射鏡
601,611,621,631,641 半導体基板
602,612,622,632,642 バッファ層
603,613,623,633,643 光閉じ込め層
604,614,624,634,644 コア層
605,615,625,645 光閉じ込め層
606,616,626,636,646 キャップ層
607,617,627,637,647 埋め込み層
701,711,801,811,901,911,1001,1011,1101,1201,1111 半導体基板
702a,702b,712a,712b,712c,802a,802b,812a,812b,812c,902,912a,912b,912c,912d,912e,1002,1012a,1012b,1012c,1012d,1012e,1012f,1102a,1102b,1102c,1102d,1112b,1112c,1112d,1112e,1202b,1202c コア層
703a,703b,713a,713b,713c,803a,803b,813a,813b,813c,903,913a,913b,913c,913d,913e,1013a,1013b,1013c,1013d,1013e,1013f,1103a,1103b,1103c,1103d,1113a,1113b,1113c,1113d,1113e、1113f,1203a,1203b,1203c,1203d 上部クラッド層
704a,714a,714b,804a,814a,814b,914a,914b,914c,914d,1014a,1014b,1014d,1014e,1104a,1104c,1114a,1114b,1114d,1114e,1204a,1204c 溝
704b,714c,804b,814c 段差
705a,715a,715b,915a,915b,915c,915d 充填材料
705b 光導波路材料
805a,805b,807a,807b,815a,815b,815c,817a,817b,817c,1003,1015a,1015b,1015c,1015d,1015e,1017a,1017b,1017c,1017d,1017e,1105a,1105b,1105c、1107a,1107b,1107c,1115a,1115b,1115c,1115d,1115e,1117a,1117b,1117c,1117d,1117e,1205a,1205b,1205c,1207a,1207b,1207c クラッド層
806a,806b,816a,816b,816c,1016a,1016b,1016c,1016d,1016d,1016e,1106a,1106b,1106c,1116a,1116b,1116c,1116d,1116e,1206a,1206b,1206c コア層
904a,904b 埋め込み層
1014c,1104b,1114c,1204b 凹部
1112a,1112f,1202a,1202d 活性層
1118a,1118b,1208a,1208b,1208c 電極
1200,1300,1400,1500,1600,1700,1800,1900 半導体基板
1201,1203,1401,1402,1403,1601,1602,1603,1701,1702,1703,1704,1705,1801,1802,1803 導波路
1202 導波領域
1204,1205,1404,1405,1604,1605,1706,1707,1708,1709,1804,1805 境界面
1301,1501,1901 コア層
1302,1902 上部クラッド層
1303,1304,1903,1905 埋め込み層
1502 クラッド層
1906,1907 電極
A61,A71,A111,A112,A121,A122,A131,A132,A141,A142,A151,A152,A153,A154,A161,A162,A163,A164,A171,A172,A73,A174 溝部
B61,B71,B111,B112,B121,B122,B131,B132,B141,B142,B151,B152,B153,B154,B161,B162,B163,B164,B171,B172,B173,B174 半導体板
F1 水平方向の光フィールド分布
F2 垂直方向の光フィールド分布
R1,R11,R21,R31,R41 利得領域
R2 利得領域
R3,R13,R22,R32,R42 伝搬領域
R12 反射領域
R61,R62,R71,R72、R111,R112,R113,R121,R122,R123,R131,R132,R141,R142,R151,R152,R161,R162,R16,R171,R172,R173 光導波路領域
WG1,WG2,WG3 導波路
Claims (14)
- 第1光導波領域と、
前記第1光導波領域との境界面が前記第1光導波領域の導波方向に対して斜めに配置され、第1光導波領域と屈折率が異なる第2光導波領域と、
前記第2光導波領域との境界面における屈折方向が導波方向と一致するように、前記第2光導波領域との境界面が配置された第3光導波領域と
を備えることを特徴とする集積光導波路。 - 第1の屈折率を持つ第1光導波路と第3光導波路および前記第1光導波路と前記第3光導波路との間にあって第2の屈折率を持つ第2光導波領域を備え、
前記第1光導波路と前記第2光導波領域との境界面が前記第1光導波路の方向に対して垂直でないように、前記第1光導波路と前記第2光導波領域とが接続され、
前記第1光導波路と前記第2光導波領域との境界面での光の屈折方向の延長線上において、前記第2光導波領域と前記第3光導波路との境界面が前記延長線に対して垂直でないように、前記第2光導波領域と前記第3光導波路とが接続され、
前記第2光導波領域と前記第3光導波路との境界面での光の屈折方向と前記第3光導波路の方向とが一致していることを特徴とする集積光導波路。 - 前記第1光導波路の方向と前記第3光導波路の方向とが互いに平行であることを特徴とする請求項2記載の集積光導波路。
- 前記第1光導波路の方向と前記第3光導波路の方向とが互いに垂直であることを特徴とする請求項2記載の集積光導波路。
- 前記第1光導波路の方向に対して前記第1光導波路と前記第2光導波領域との境界面の成す角と、前記第3光導波路の方向に対して前記第2光導波領域と前記第3光導波路の境界面の成す角とが互いに等しく、前記第1の屈折率をN1、前記第2の屈折率をN2とすると、前記第1光導波路の方向に対して前記第1光導波路と前記第2光導波領域との境界面の成す角θは、
4θB/5≦θ≦θB+2/3(θA−θB)
θB=tan−1(N2/N1)
θA=sin−1(N2/N1)
の関係を満たすことを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項記載の集積光導波路。 - θ=θBであることを特徴とする請求項5記載の集積光導波路。
- 前記第2光導波領域は導波構造を備えることを特徴とする請求項2〜6のいずれか1項記載の集積光導波路。
- 前記第2光導波領域は円弧形状を持つことを特徴とする請求項7記載の集積光導波路。
- 前記第1光導波路および前記第3光導波路は半導体で構成され、前記第2光導波領域は半導体以外の材料で構成されていることを特徴とする請求項2〜8のいずれか1項記載の集積光導波路。
- 前記第1の屈折率をN1、前記第2の屈折率をN2とすると、屈折率比N2/N1またはN1/N2が0.9以下であることを特徴とする請求項2〜9のいずれか1項記載の集積光導波路。
- 請求項2〜10のいずれか1項記載の集積光導波路が複数個縦列接続されていることを特徴とする集積光導波路。
- 前記第1光導波路または前記第3光導波路のいずれか少なくとも一方は、
半導体基板上に形成されたコア層と、
前記コア層上に積層され、前記半導体基板と導電型の異なる上部クラッド層と、
前記上部クラッド層上に形成された第1電極と、
前記半導体基板の裏面に形成された第2電極と
を備えることを特徴とする請求項2〜11のいずれか1項記載の光デバイス。 - 前記第1光導波路または前記第3光導波路のいずれか少なくとも一方は波長選択性を持つことを特徴とする請求項2〜12のいずれか1項記載の光デバイス。
- 請求項2〜13のいずれか1項記載の集積光導波路を備えることを特徴とする光デバイス。
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