JP2013165095A

JP2013165095A - 半導体薄膜レーザ

Info

Publication number: JP2013165095A
Application number: JP2012025978A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kamioka; 裕之上岡; Hiroyuki Ishii; 啓之石井; Hiroyasu Motai; 宏泰馬渡; Yasuo Shibata; 泰夫柴田; Hiromi Ohashi; 弘美大橋; Nobuhiko Nishiyama; 伸彦西山; Shigehisa Arai; 滋久荒井; Yuki Atsumi; 裕樹渥美
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2012-02-09
Publication date: 2013-08-22

Abstract

【課題】波長多重通信において、温度変化があっても信号光が隣接チャネルへシフトすることなく、正確な波長信号を取り出すことができる波長温度依存性低減型の半導体薄膜レーザを提供する。
【解決手段】負の屈折率温度依存性を有するＢＣＢ樹脂層３０を、このＢＣＢ樹脂層３０に比較して高い屈折率を有し、且つ、正の屈折率温度依存性を有するＳｉ導波路２０とＧａＩｎＡｓＰ量子井戸４３を有するＩｎＰ半導体層４０とによって基板積層方向に挟み込むようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体薄膜レーザに関する。

光通信は波長多重性、低干渉雑音といった高速大容量通信に優れた特徴を有しており、半導体レーザは長距離通信ばかりでなく、近年においてはサーバやルーター内のボード間、ボード内チップ間などの近距離通信光源としても注目されている。

一方、従来の単一波長半導体レーザは、一般の半導体レーザの屈折率の温度係数が正の値を持つことから温度が上昇すると発振波長が長波長側に移動するため、波長多重通信においては温度変化により信号光が隣接チャネルへシフトし、正確な波長信号を取り出すことが困難になるなどの課題があった。

この課題を解決する方法として、クラッド材料を負の温度係数を持つ材料に変えることによって全体として構造の等価屈折率を温度無依存にする構造が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

また、基板に対して平行な直線偏光（ＴＥ偏光）において、二種類の半導体層の間に負の屈折率温度依存性を有する誘電体を設けることにより、該誘電体部分に強く光を閉じ込めることを可能とした光導波路の構造が知られている（例えば、非特許文献２参照）。

阪本他、「Reduced Temperature Dependence of Lasing Wavelength in Membrane Buried Heterostructure DFB Lasers With Polymer Cladding Layers」、IEEE Photonics Technology Letters、2007年3月1日、vol.19、No.5、p.291-293 渥美他、「Athermal Wavelength Characteristics of Si Slot Ring Resonator Embedded with Benzocyclobutene for Optoelectronic Integrated Circuits」、Japanese Journal of Applied Physics、2010年、vol.49、p.050206

しかしながら、非特許文献２に開示された構造においては、誘電体部分に強く光を閉じ込めるためには半導体部分を非常に薄くしなければならず、レーザ動作を想定した構造として適用しようとした場合、製作上の困難性を有し、歩留まりの低下につながるといった問題、また、誘電体部分に強く光を閉じ込めることができる程度に半導体部分を薄くした場合、電気特性、光特性を維持することが困難であるといった特性の再現性の問題など、解決すべき課題が残っている。

このようなことから本発明は、波長多重通信において、温度変化があっても信号光が隣接チャネルへシフトすることなく、正確な波長信号を取り出すことができる波長温度依存性低減型の半導体薄膜レーザを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明に係る半導体薄膜レーザは、誘電体を、該誘電体に比較して高い屈折率を有する第一の半導体及び第二の半導体によって基板積層方向に挟み込んでなる構造を有するとともに、前記第一の半導体又は前記第二の半導体が活性層を有し、前記第一の半導体又は前記第二の半導体のうち少なくとも一方が正の屈折率温度依存性を有し、且つ、前記誘電体が負の屈折率温度依存性を有することを特徴とする。

また、上記の課題を解決する第２の発明に係る半導体薄膜レーザは、第１の発明に係る半導体薄膜レーザにおいて、前記誘電体層の厚さを、素子全体の等価屈折率温度依存性が−１．４５×１０^-5以上１．４５×１０^-5以下の範囲となるように設定することを特徴とする。

また、上記の課題を解決する第３の発明に係る半導体薄膜レーザは、第１又は第２の発明に係る半導体薄膜レーザにおいて、前記誘電体はベンゾシクロブテンであり、前記第一の半導体又は前記第二の半導体がＳｉであることを特徴とする。

また、上記の課題を解決する第４の発明に係る半導体薄膜レーザは、第１ないし第３のいずれか一つの発明に係る半導体薄膜レーザにおいて、前記活性層がＴＭ偏光の光を発光することを特徴とする。

本発明に係る半導体薄膜レーザによれば、波長多重通信において、温度変化があっても信号光が隣接チャネルへシフトすることなく、正確な波長信号を取り出すことが可能となる。

本発明の実施例に係る半導体薄膜レーザの構造を光導波方向に直交して示す模式図である。本発明の実施例に係る半導体薄膜レーザのＢＣＢ膜厚の変化による等価屈折率の温度依存性を示すグラフである。本発明の実施例に係る半導体薄膜レーザのＢＣＢ厚２００ｎｍにおける電界強度分布である。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る半導体薄膜レーザの詳細を説明する。

図１ないし図３を用いて本発明に係る半導体薄膜レーザの一実施例を説明する。

図１は本実施例に係る半導体薄膜レーザの構造を示す模式図である。図１に示すように、本実施例に係る半導体薄膜レーザは、ガラス基板１０上に幅３００ｎｍ、高さ２２０ｎｍの第一の半導体としてのＳｉ導波路２０、誘電体層としてのベンゾシクロブテン（benzocyclobutene：ＢＣＢ）樹脂層（以下、下部ＢＣＢ樹脂層という）３０、第二の半導体としてのＩｎＰ系半導体層４０の順に積層された構造を特徴とする。ここで、Ｓｉ導波路２０及びＩｎＰ系半導体層４０は下部ＢＣＢ樹脂層３０に比較して高い屈折率を有している。

ＩｎＰ系半導体層４０は、ＧａＩｎＡｓＰ下部光閉じ込め層（optical confinement layers：ＯＣＬ）４１とＧａＩｎＡｓＰ状部光閉じ込め層４２とにより挟まれた活性層としての五層のＧａＩｎＡｓＰ量子井戸（５ＳＱ）４３から構成され、量子井戸４３の幅は２μｍであり、その両側はＩｎＰクラッド層４４，４５で挟まれている。ＧａＩｎＡｓＰ量子井戸４３は引っ張り歪を有し、基板に対して垂直な直線偏光（ＴＭ偏光）が強く発光する構成となっている。

このＩｎＰ系半導体層４０の上にはさらに１μｍのＢＣＢ層（以下、上部ＢＣＢ樹脂層という）５０が積層されている。

この構造を用いて有限差分法（finite difference method：ＦＤＭ）による数値計算を行った。

図２は、本実施例に係る半導体薄膜レーザにおいて、Ｓｉ導波路２０とＧａＩｎＡｓＰ下部光閉じ込め層４１との間に介在する下部ＢＣＢ樹脂層３０の厚さｔをパラメータとした場合の等価屈折率温度依存性を計算した結果である。図２（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ量子井戸４３の幅が２μｍ，２μｍ，１．５μｍ、Ｓｉ導波路２０の幅が３００ｎｍ，２５０ｎｍ，３００ｎｍの場合における等価屈折率温度依存性を示している。

本実施例に係る半導体薄膜レーザにおいては、Ｓｉ導波路２０及びＩｎＰ系半導体層４０は正の屈折率温度依存性を有し、下部ＢＣＢ樹脂層３０は負の屈折率温度依存性を有することから、それぞれの屈折率温度依存性が相殺されることとなる。

図２から、下部ＢＣＢ樹脂層３０の厚さｔの増加とともに素子全体の等価屈折率温度依存性は小さくなり、厚さｔ＝３００ｎｍ付近でほぼゼロとなることが分かる。このことから、素子全体の等価屈折率温度依存性をほぼゼロとすることができる最適な下部ＢＣＢ樹脂層３０の厚さｔが存在することがわかる。

図３は、素子全体の等価屈折率温度依存性がゼロとなる時のＴＭ偏光の中心軸における断面電界強度分布を示している。なお、図３においては、Ｐ₁₀、Ｐ₂₀，Ｐ₃₀，Ｐ₄₀，Ｐ₅₀で示す部分が、それぞれガラス基板１０、Ｓｉ導波路２０、下部ＢＣＢ樹脂層３０、ＩｎＰ系半導体層４０、上部ＢＣＢ樹脂層５０における電界強度となっている。

図３に示すように、Ｓｉ導波路２０とＧａＩｎＡｓＰ下部光閉じ込め層４１との間に介在する下部ＢＣＢ樹脂層３０において光強度が強い部分があることがわかる。このことから、負の屈折率温度依存性を有する下部ＢＣＢ樹脂層３０に十分に光を染み出させることができていることが分かる。

図２及び図３に示した結果から、ＩｎＰ系半導体層４０の厚さが比較的厚い場合でも、素子全体の等価屈折率温度依存性がほぼゼロとなるような厚さｔとした下部ＢＣＢ樹脂層３０を有する半導体薄膜レーザにおいては、下部ＢＣＢ樹脂層３０側に光が漏れ出すために、ＩｎＰ系半導体層４０と下部ＢＣＢ樹脂層３０それぞれの屈折率温度依存性を相殺させることができ、半導体レーザ自体の発振波長の温度依存性を低減することができることがわかる。

なお、素子全体の等価屈折率温度依存性がほぼゼロとなるＢＣＢ樹脂層３０の厚さｔについては、どの程度の波長シフトを許容するかに応じてその範囲は変動する。例えば、１００ＧＨｚチャネル間隔の波長多重通信を考えると１００℃のシフトで隣接チャネル（０．８ｎｍ）に移動することを許容した場合、等価屈折率の範囲が−１．４５×１０^-5以上１．４５×１０^-5以下となる厚さｔ、半チャネルシフトだと等価屈折率の範囲が−７．２３×１０^-6以上７．２３×１０^-6以下となる厚さｔ、長距離ネットワークなどで使われるさらに厳しい範囲（０．３ｎｍ）だと等価屈折率が−５．４２×１０^-6以上５．４２×１０^-6以下となる厚さｔとすることが好ましい。

また、図２に示す素子全体の等価屈折率温度依存性は、それぞれの材料の屈折率温度依存性に、その材料に存在する光の割合（光閉じ込め係数）をかけあわせたものを足し合わせることで算出されるため、図２中には等価屈折率温度依存性に加えて、参考としてＢＣＢの厚さｔによってどの程度光閉じ込め係数が変化しているかも表示している。

続いて、本実施例に係る半導体薄膜レーザの製造方法の一例を説明する。
初めに半導体薄膜分布帰還型（Distributed Feedback：ＤＦＢ）レーザを作製する。まず、半導体基板であるＩｎＰ基板上に、二つのエッチングストップ層、ＧａＩｎＡｓＰ上部光閉じ込め層４２（６０ｎｍ）、活性層４３、ＧａＩｎＡｓＰ下部光閉じ込め層４１（６０ｎｍ）の順に有機金属気相成長法（ＯＭＶＰＥ）を用いて積層する。活性層４３は五層のＧａＩｎＡｓＰ量子井戸層（０．３％引っ張り歪、６ｎｍ）とＧａＩｎＡｓＰ障壁層（９ｎｍ）とからなり、エッチングストップ層はそれぞれ５０ｎｍのＧａＩｎＡｓと５０ｎｍのＩｎＰである。

プラズマ化学蒸着により厚さ２０ｎｍのＳｉＯ₂を堆積後、電子ビーム（ＥＢ）露光法により、ストライプ幅Ｗ_S＝２μｍ、共振器長Ｌ＝５０μｍ、ＤＦＢ周期Λ＝３１０ｎｍのＤＦＢ回折パターンの描画を行う。そして作製したパターンをＤＦ₄を用いた反応性イオンエッチング（reactive ion etching：ＲＩＥ）によるＳｉＯ₂マスクへ転写する。次に、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ上部光閉じ込め層４２、活性層４３、及びＧａＩｎＡｓＰ上部光閉じ込め層４１とをＣＨ₄／Ｈ₂−ＲＩＥによりエッチングし、有機金属気相成長法によりｉ−ＩｎＰを埋め込み再成長し、ＤＦＢ構造を作製する。

４μｍのメサ構造はフォトリソグラフィとウェットエッチングにより作製する。まず、幅４μｍのストライプ状ＳｉＯ₂マスクをフォトリソグラフィ法により形成後、ウェットエッチングによりメサ構造を作製する。次に、ストライプ状ＳｉＯ₂マスク除去後、ＧａＩｎＡｓＰ下部光閉じ込め層４１上のｉ−ＩｎＰを塩酸−酢酸混液でウェットエッチングする。これにより、ＤＦＢ構造の両側がＩｎＰクラッド層４４，４５により挟まれた状態となる。

一方、Ｓｉ導波路２０はトップＳｉ層２２０ｎｍ、ＢＯＸ層１μｍのＳＯＩ（silicon on insulator）基板をＲＣＡ洗浄し、電子線ポジレジストを塗布し、電子線露光によりＳｉ導波路２０（幅３００ｎｍ）形状のパターニングを行った後、ＣＦ₄ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりＳｉ転写を行う。

最後に、下部ＢＣＢ樹脂層３０として、Ｓｉ導波路２０上のＢＣＢの厚さが３００ｎｍになるように、ＢＣＢをＩｎＰ基板とＳＯＩ基板それぞれにスピンコーティングし、ＩｎＰ基板を上下を逆にしてＳＯＩ基板に張り付け、２５０℃のＮ₂雰囲気中で１時間ハードベーキングを行う。半導体基板の裏面ＩｎＰとエッチングストップ層は研磨およびウェットエッチングで除去し、その後、上部ＢＣＢ樹脂層５０となるＢＣＢを１μｍの厚さにコーティングし、２５０℃のＮ₂雰囲気中で１時間ハードベーキングを行う。
以上の工程により本実施例に係る半導体薄膜レーザを作成することができる。

ここで、ＢＣＢなどの負の屈折率温度依存性を有する誘電体を二つの半導体層の間に設けると、低屈折率材料である誘電体部分に強く光を閉じ込めることができる。二つの半導体層と誘電体とを基板に平行する方向に配置した場合には、ＴＥ偏光において誘電体部分に光を閉じ込めることができるのに対し、二つの半導体層と誘電体とを基板積層方向に積層した場合、ＴＭ偏光において誘電体部分に光を閉じ込めることができる。

非特許文献２では基板に平行な方向に二つの半導体層と誘電体を設けているためＴＥ偏光で動作させているが、本実施例に係る半導体薄膜レーザは基板に直交する方向に二つの半導体層と誘電体を積層した構造であることから、一方の半導体層に活性層を導入し、ＴＭ偏光を発生するように設計している。

このような本実施例に係る半導体薄膜レーザにおいては、二つの半導体層と誘電体とを基板に直交する方向に積層するため、半導体層の厚さを比較的厚くした場合であっても、光が誘電体側に漏れ出すため、半導体と誘電体それぞれの屈折率温度依存性を相殺することができる。

このように、本実施例に係る半導体薄膜レーザによれば、断面構造における素子全体の等価屈折率温度依存性をほぼゼロとすることが可能となると同時に、半導体層の厚さを厚くしたとしても誘電体部分に光を強く閉じ込めることができることから、製作上の困難性を克服することもできる。

さらに、二つの半導体層の間に、素子全体の等価屈折率温度依存性がほぼゼロとなる厚さｔを有するＢＣＢ樹脂層３０を挟み込む構成を共振器に適用することにより、リング共振器レーザや分布帰還型レーザなどの半導体レーザの発振波長の温度依存性を低減することができる。

また、本実施例に係る半導体薄膜レーザの構成を、リング共振器型や、半導体層の厚みもしくは誘電体層の厚みを変化させた等価屈折率の異なる二種類の構造をレーザ共振器の共振方向に対して周期的に配置した回折格子型の分布帰還型レーザ構造に適用すれば、フィードバック波長が安定化されるため、結果として発振波長を温度に対して安定化させることが可能となる。

なお、本実施例においては第一の半導体としてＳｉ導波路２０、第二の半導体としてＧａＩｎＡｓＰ量子井戸を有するＩｎＰ系半導体層４０を用いる例を示したが、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、第一の半導体又は第二の半導体として、一方がレーザ発振のために必要な光利得を発生するための材料を有し、他方が発振波長で光を吸収しない半導体であればよく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることは言うまでもない。例えば、第一の半導体と第二の半導体とは同一の半導体であっても構わない。

本発明は、半導体薄膜レーザに適用して好適なものである。

１０ガラス基板
２０Ｓｉ導波路
３０下部ＢＣＢ樹脂層
４０ＩｎＰ系半導体層
４１ＧａＩｎＡｓＰ下部光閉じ込め層
４２ＧａＩｎＡｓＰ上部光閉じ込め層
４３ＧａＩｎＡｓＰ量子井戸
４４，４５ＩｎＰクラッド層
５０上部ＢＣＢ樹脂層

Claims

誘電体を、該誘電体に比較して高い屈折率を有する第一の半導体及び第二の半導体によって基板積層方向に挟み込んでなる構造を有するとともに、
前記第一の半導体又は前記第二の半導体が活性層を有し、
前記第一の半導体又は前記第二の半導体のうち少なくとも一方が正の屈折率温度依存性を有し、
且つ、前記誘電体が負の屈折率温度依存性を有する
ことを特徴とする半導体薄膜レーザ。
請求項１記載の半導体薄膜レーザにおいて、
前記誘電体層の厚さを、素子全体の等価屈折率温度依存性が−１．４５×１０^-5以上１．４５×１０^-5以下の範囲となるように設定する
ことを特徴とする半導体薄膜レーザ。
請求項１または請求項２記載の半導体薄膜レーザにおいて、
前記誘電体はベンゾシクロブテンであり、
前記第一の半導体又は前記第二の半導体がＳｉである
ことを特徴とする半導体薄膜レーザ。
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体薄膜レーザにおいて、
前記活性層がＴＭ偏光の光を発光する
ことを特徴とする半導体薄膜レーザ。