JP2015056515A - 半導体光素子及び光通信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】回折格子の位相シフト部における軸方向ホールバーニングの発生を抑制する。
【解決手段】半導体光素子Ｌ１は、回折格子１と位相シフト部２を含む回折格子層と、発振波長に対して利得がある活性層３と、発振波長に対して利得がない光導波路領域４と、を含む光導波路層と、を含み、光導波路領域４を位相シフト部２の少なくとも下側に設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体光素子及び光通信モジュールに関する。

分布帰還型半導体レーザにおいて、回折格子の位相の不連続部分で、位相を回折格子の凹凸の周期の２分の１（共振器の発振波長の４分の１）だけシフトさせた位相シフト部を設けたものがある（例えば、下記の特許文献１〜４を参照）。

特開平０５−０４８１９７号公報 特開２００４−２５９９２４号公報 特開２０００−６８５９０号公報 特開２００３−１５２２７２号公報

半導体光素子の位相シフト部には光が集中し、それにより位相シフト部では誘導放出によるキャリアの消費量が大きくなりキャリア密度が減少する、所謂、軸方向ホールバーニングと呼ばれる現象が生じることがある。この軸方向ホールバーニングが発生した場合には、位相シフト部においてキャリアの減少、屈折率の増加、実効的な回折格子のピッチの変動を生じるため、サイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）が低下して、スペクトル線幅が広がってしまう。このように、分布帰還型半導体レーザにおいて、軸方向ホールバーニングは高出力化を妨げるほか、光密度を上げることが困難となるため半導体レーザの高速化をも妨げる要因となっている。

本発明は上記の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、回折格子の位相シフト部における軸方向ホールバーニングの発生を抑制できる半導体光素子及び光通信モジュールを提供することにある。

（１）本発明に係る半導体素子は、位相シフト部を有する回折格子を含む回折格子層と、発振波長に対して利得がある活性層を含む第１の半導体領域と、前記発振波長に対して利得がない第２の半導体領域と、を含む光導波路層と、を含み、前記第２の半導体領域を前記位相シフト部の少なくとも下側または上側に設けたことを特徴とする。

（２）（１）に記載の半導体光素子において、前記回折格子の周期をΛとしたとき、前記位相シフト部の位相シフト量ΔφがΔφ＝（ｍ＋１／２）×Λ（ｍは０以上の整数）であることとしてもよい。

（３）（１）又は（２）に記載の半導体光素子において、前記位相シフト部の中心位置と、前記第１の半導体領域と前記第２の半導体領域の接続部との距離は１０μｍ以上であることとしてもよい。

（４）（１）乃至（３）のいずれかに記載の半導体光素子において、前記位相シフト部は、回折格子の不連続、回折格子ピッチの変動、ストライプ幅の変動、または光導波路膜厚の変動により構成されることとしてもよい。

（５）（１）乃至（４）のいずれかに記載の半導体光素子において、前記回折格子は、前記光導波路層の前端から後端に沿って設けられていることとしてもよい。

（６）（１）乃至（４）のいずれかに記載の半導体光素子において、前記光導波路層は、前記第２の半導体領域と、前記第２の半導体領域の間に設けられた前記第１の半導体領域とを含み、前記光導波路層の後端側に位置する前記第２の半導体領域を前記位相シフト部の少なくとも下側または上側に設けたこととしてもよい。

（７）（１）乃至（４）のいずれかに記載の半導体光素子において、前記光導波路層の前端面に形成した無反射コーティング膜を含み、前記回折格子を、前記回折格子層のうち前記光導波路層の前端から所定範囲内には設けないこととしてもよい。

（８）（１）乃至（７）のいずれかに記載の半導体光素子において、前記光導波路層の上方の一部に形成された電極を備え、前記電極は、少なくとも前記第１の半導体領域の上方に設けられることとしてもよい。

（９）（１）乃至（７）のいずれかに記載の半導体光素子において、前記光導波路層の前端から後端に渡って形成された電極を備えることとしてもよい。

（１０）（１）乃至（７）のいずれかに記載の半導体光素子において、前記光導波路層の前端から後端に渡って形成された電極と、前記電極と、前記第２の半導体領域との間に形成された絶縁膜と、を備えることとしてもよい。

（１１）本発明に係る光通信モジュールは、（１）乃至（１０）のいずれかに記載の半導体光素子を搭載した光通信モジュールである。

本発明によれば、回折格子の位相シフト部に対しては、発振波長に対して利得がない光導波路としたことで、回折格子の位相シフト部における軸方向ホールバーニングの発生を抑制できる。

本発明の第１の実施例に係る半導体光素子の断面図である。 本発明の第２の実施例に係る半導体光素子の断面図である。 本発明の第３の実施例に係る半導体光素子の断面図である。 本発明の第４の実施例に係る半導体光素子の断面図である。 本発明の第５の実施例に係る半導体光素子の断面図である。 本発明の第６の実施例に係る半導体光素子の断面図である。 本発明の第７の実施例に係る半導体光素子の断面図である。 本発明の比較例に係る半導体光素子の断面図である。

以下、本発明の実施の形態（以下、実施形態）について、図面を参照して説明する。

［比較例の説明］
本発明の実施形態の説明に先立って、図８に示した本発明の比較例に係る半導体光素子ＬＣ（分布帰還型半導体レーザ）の構成を参照しながら、本発明の解決する課題について説明する。

図８は、比較例に係る半導体光素子ＬＣの断面図を示した。図８における１は、回折格子層、２は位相シフト部、３は光導波路を構成する活性層、５は通電のためのＰ型電極、６は電極と結晶との間の抵抗を低減するためのＰ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、７は前方端面のコーティング膜、８はＰ型ＩｎＰクラッド層、９はＰ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層、１０はＮ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層、１１はＮ型ＩｎＰクラッド層、１３はＮ側電極、１５は後方端面のコーティング膜である。

図８に示されるように、回折格子層１は活性層３の上部の全体に渡って形成されており、回折格子層１の一部には位相シフト部２が形成されている。位相シフト部２は、回折格子の不連続部分であり、例えば、回折格子の位相が回折格子のピッチΛに対して１／２シフトしており、この構造はλ／４位相シフトと呼ばれている。

このように、λ／４位相シフトが設けられた半導体光素子ＬＣ（分布帰還型半導体レーザ）は、位相シフト部２に光が集中する。したがって、図８に示した比較例に係る半導体光素子ＬＣ（分布帰還型半導体レーザ）は、位相シフト部２において、誘導放出によるキャリアの消費量が大きくなり、キャリア密度が低下する。そして、キャリア密度が低下した位相シフト部２ではプラズマ効果により屈折率が増加する。こうしたキャリア密度低下及びキャリア密度低下に伴う屈折率の増加は、軸方向ホールバーニングと呼ばれる現象であり、軸方向ホールバーニングによる屈折率の変動は回折格子ピッチの変動と等価であるため、ＳＭＳＲが低下し、スペクトル線幅が広がることになる。

これに対して、以下説明する第１〜第７の実施形態に係る半導体光素子Ｌ（分布帰還型半導体レーザ）では、軸方向ホールバーニングの発生を抑制する構造を備えたものである。以下、各実施形態の詳細について説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体光素子Ｌ１（分布帰還型半導体レーザ）の断面図を示した。図１における１は、回折格子層、２は位相シフト部、３は光導波路を構成する活性層、４は活性層の発振波長に対して利得を持たない組成の光導波路領域、５は通電のためのＰ型電極、６は電極と結晶との間の抵抗を低減するためのＰ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、７は前方端面のコーティング膜、８はＰ型ＩｎＰクラッド層、９はＰ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層、１０はＮ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層、１１はＮ型ＩｎＰクラッド層、１３はＮ側電極、１４はＳｉＯ２絶縁膜、１５は後方端面のコーティング膜である。

図１に示されるように、第１の実施形態に係る半導体光素子Ｌ１においては、光導波路は活性層３と、発振波長に対して利得を持たない組成の光導波路領域４で構成されている。そして、回折格子層１は活性層３と光導波路領域４を含む領域の上部に設けられた半導体層において光導波路に沿って形成される。また、回折格子層１の位相シフト部２は光導波路領域４の上部に積層された半導体層に形成されている。位相シフト部２は、回折格子の不連続部分であり、例えば、回折格子の位相が回折格子のピッチΛに対して１／２シフトした、所謂λ／４位相シフトの構造を有している。

図１に示した第１の実施形態に係る半導体光素子Ｌ１では、位相シフト部２を発振波長に対して利得のない光導波路領域４の上部に形成したことで、位相シフト部２への光の集中はおこるが、位相シフト部２は発振波長に対して利得のない領域に設けられているため、誘導放出によるキャリア消費はない。その結果、第１の実施形態に係る半導体光素子Ｌ１では、軸方向ホールバーニングの発生を抑えることができる。

なお、第１の実施形態に係る半導体光素子Ｌ１においては、活性層３と光導波路領域４の境界断面が斜めとなるようにしている。例えば、エッチング端部に結晶面方位が出るように活性層３をウェットエッチングした後、光導波路領域４を再成長すると、活性層３と光導波路領域４の接続部は面方位部への再成長となるため、良好な結晶性が期待できる。また、接続部分を斜めとすることで、接続部から活性層に戻る反射光を低減できる。

また、第１の実施形態に係る半導体光素子Ｌ１において、活性層部３と光導波路領域４の有効屈折率が等しくなるように構造設計した場合、活性層３の上部部分に形成される回折格子のピッチと、光導波路領域４の上部部分に形成される回折格子のピッチとは、活性層部３と光導波路領域４の有効屈折率が同一である場合には同一としてよく、活性層部３と光導波路領域４の有効屈折率が異なる場合は屈折率の差を考慮して、実効的なピッチが等しくなるように活性層３の上部部分に形成される回折格子のピッチと、光導波路領域４の上部部分に形成される回折格子のピッチの間隔が設計されることが望ましい。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る半導体光素子Ｌ２（分布帰還型半導体レーザ）について説明する。第２の実施形態に係る半導体光素子Ｌ２は、第１の実施形態に係る半導体光素子Ｌ１よりも高速動作に好適な特性を有している。

図２は、第２の実施形態に係る半導体光素子Ｌ２の断面図である。図２の半導体光素子Ｌ２に関し、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

まず、分布帰還型半導体レーザを高速動作させるためには、半導体レーザの動作帯域を決定する緩和振動周波数を上げる必要がある。ここで、緩和振動周波数を上げるには、半導体レーザの共振器長を短くすることが有効だが、共振器長を短くすると半導体レーザの素子サイズが小さくなるため、劈開の処理等が困難となる。そこで、本発明の第２の実施形態では、分布帰還型半導体レーザの前方にも実質的な共振器長に影響を与えない光導波路領域４を付加することとした。

すなわち、図２に示した第２の実施形態に係る半導体光素子Ｌ２では、後方のみならず前方においても光導波路領域４が設けられており、例えば、前方端面コーティング膜７を無反射または、低反射コーティングとすれば、光は前方光導波路を通過するのみであり、共振器の外側に存在するため、実質的な共振器長を長くすることなしに、素子のサイズを大きくすることができる。なお、第２の実施形態に係る半導体光素子Ｌ２においても、位相シフト部２を発振波長に対して利得のない、後方の光導波路領域４の上部に形成したことで、軸方向ホールバーニングの発生を抑制できる。

また、第２の実施形態に係る半導体光素子Ｌでは、前方光導波路（すなわち前方の光導波路領域４の上部）には回折格子を設けていないが、回折格子のストップバンド帯域と発振波長が十分離れていれば、前方光導波路（すなわち前方の光導波路領域４の上部）にも回折格子を設けても構わない。また、前方端面コーティングを無反射または低反射コーティングとする代わりに、窓構造により戻り光を低減してもよい。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態に係る半導体光素子Ｌ３（分布帰還型半導体レーザ）について説明する。第３の実施形態に係る半導体光素子Ｌ３は、第１の実施形態に係る半導体光素子Ｌ１よりもさらに高出力動作の点で好適な特性を有している。

図３は第３の実施形態に係る半導体光素子Ｌ３の断面図を示した。図３に示される分布帰還型半導体レーザにおいて、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。以下、第１の実施形態からの相違点について説明する。

図３で示される第３の実施形態に係る半導体光素子Ｌ３では、第１の実施形態に係る半導体光素子Ｌ１に対して、回折格子１を活性層３の上部であって、前方端面付近（前方端面から所定範囲）には設けないこととした点で相違している。例えば、前方端面コーティング膜７を無反射コーティング膜とすれば、前方端面側の回折格子のない光導波路領域は光増幅器として機能する。このように第３の実施形態は第１の実施形態に対して、光増幅器を付加した構造となっており、第１の実施形態よりも高出力動作が可能となる。また、第３の実施形態は前方光増幅部に回折格子がない構造としたが、回折格子のストップバンド帯域と発振波長が十分離れていれば、回折格子を設けても構わない。

［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態に係る半導体光素子Ｌ４（分布帰還型半導体レーザ）について説明する。第４の実施形態に係る半導体光素子Ｌ４は、第１の実施形態に係る半導体光素子Ｌ１における位相シフト部２に代えて、回折格子ピッチの変調により実現した点で第１の実施形態と相違するが他の点では共通する。

図４は第４の実施形態に係る半導体光素子Ｌ４の断面図を示した。図４に示された半導体光素子Ｌ４において、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

図４で示される半導体光素子Ｌ４は、回折格子の不連続による位相シフト構造の代わりに回折格子ピッチを変調させることで位相シフト構造２１を実現している。なお、第４の実施形態に係る半導体光素子Ｌ４においても、位相シフト構造２１を発振波長に対して利得のない、後方の光導波路領域４の上部に形成したことで、軸方向ホールバーニングの発生を抑制できる。

［第５の実施形態］
次に、本発明の第５の実施形態に係る半導体光素子Ｌ５（分布帰還型半導体レーザ）について説明する。第５の実施形態に係る半導体光素子Ｌ５では、位相シフト部を複数設けた点で第１の実施形態に係る半導体光素子Ｌ１と相違している。

図５には第５の実施形態に係る半導体光素子Ｌ５の断面図を示した。図５に示される半導体光素子Ｌ５に関し、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

図５に示されるように、第５の実施形態に係る半導体光素子Ｌ５では、発振波長に対して利得のない光導波路領域４の上部に、回折格子ピッチが不連続となっている位相シフト部２を２か所設けており、２個の位相シフト部２により、キャリア消費の集中を抑制するとともに、各位相シフト部２における軸方向ホールバーニングの発生を抑制することができる。なお、図５に示した例では、位相シフト部２を２ヶ所設けることとしたが、位相シフト部２は３ヶ所以上設けてもよい。

［第６の実施形態］
次に、本発明の第６の実施形態に係る半導体光素子Ｌ６（分布帰還型半導体レーザ）について説明する。第６の実施形態に係る半導体光素子Ｌ６は、第１の実施形態に係る半導体光素子Ｌ１に比べて、動作電流増加時においても光導波路軸方向の温度分布がより均一となる構成を有している。

図６には、第６の実施形態に係る半導体光素子Ｌ６の断面図を示した。なお、図６に示される半導体光素子Ｌ６に関し、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

図６で示される第６の実施形態に係る半導体光素子Ｌ６では、Ｐ側電極が前方端面から後方端面まで至っている点で第１の実施形態に係る半導体光素子Ｌ１と相違する。なお、図１に示した第１の実施形態に係る半導体光素子Ｌ１では、活性層３に対応する領域のみに電極が設けられており、この場合、活性層３は通電により発熱するが、光導波路領域４には電流が流れないため、発熱せず、温度差が生じる。従って、第１の実施形態に係る半導体光素子Ｌ１では、温度上昇による屈折率の変動量にも差が生じることになる。

一方で、第６の実施形態に係る半導体光素子Ｌ６は、電極を前方端面から後方端面にまで設けたことにより、活性層３と光導波路領域４を同時に通電し、活性層部３と光導波路領域４の温度差を低減することができる。従って、第６の実施形態に係る半導体光素子Ｌ６によれば、活性層部３と光導波路領域４の温度差による屈折率変動量の差を低減することができる。

［第７の実施形態］
次に、本発明の第７の実施形態に係る半導体光素子Ｌ７（分布帰還型半導体レーザ）について説明する。第７の実施形態に係る半導体光素子Ｌ７は、第１の実施形態に係る半導体光素子Ｌ１に比べて、動作電流増加時においても光導波路軸方向の温度分布がより均一となる構成を有する。

図７は第７の実施形態に係る半導体光素子Ｌ７の断面図である。なお、図７に示される半導体光素子Ｌ７に関し、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

図６に示される第７の実施形態に係る半導体光素子Ｌ６では、光導波路領域４に通電することで活性層部３との温度差を低減しているが、光導波路領域４の電流は光出力に寄与しないため、消費電力が増加する。一方で、図７に示した第７の実施形態に係る半導体光素子Ｌ７では、Ｐ側電極５は前方端面から後方端面に至るように設けられているが、光導波路領域４の上方にはＳｉＯ２絶縁膜１４を設けたことで光導波路領域４へは電流が流れない。電極を構成する金属、例えばＡｕは熱伝導率が高いため、活性層３の熱を光導波路領域４に伝えることができる。これにより、第７の実施形態に係る半導体光素子Ｌ７では、活性層３と光導波路領域４との温度差を小さくすることができる。なお、第７の実施形態に係る半導体光素子Ｌ７では、ＳｉＯ２絶縁膜１４により光導波路領域４への電流注入を抑制しているが、高抵抗層、例えばＦｅをドーピングしたＩｎＰにでも同様な効果が得られ、ＩｎＰを用いた場合にはＳｉＯ２等の絶縁膜に対して熱伝導率が高いため、活性層３と光導波路領域４の温度差はさらに小さくすることができる。

上記の実施形態に係る半導体光素子において、活性層３と光導波路領域４との境界と、位相シフト部２の中心位置（位相シフト部２が複数有る場合にはそれらの中心位置）とを１０μｍ以上離すこととしてよい。この際に、位相シフト部２は、活性層３よりも光導波路領域４側に設けることとしてよい。なお、回折格子の全描画領域における位相シフト部２の位置を、回折格子の全描画領域における位相シフト部の前後で前方回折格子領域と後方回折格子領域とし、前方回折格子領域の長さ：後方回折格子領域の長さ＝Ｘ：Ｙとした場合に、Ｘ＝７〜９、Ｙ＝３〜１（ただしＸ＋Ｙ＝１０）に分ける位置とすることにより、高ＳＭＳＲ歩留まりを得ることができる。

また、位相シフト部２は、回折格子の不連続、回折格子ピッチの変動、ストライプ幅の変動、または光導波路膜厚の変動により構成されることとしてよい。なお、回折格子の周期をΛとしたとき、位相シフト部２の位相シフト量Δφは、Δφ＝（ｍ＋１／２）×Λ（ｍは０以上の整数）であることとしてよい。

さらに、上記の実施形態に係る半導体光素子において、回折格子層１は活性層３及び光導波路領域４の上部に設けたが、下部に設けた場合であっても、本願発明の効果は得られる。

本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではない。例えば、以上説明した実施形態に係る半導体光素子は、共振器のみを集積した半導体光素子を例として説明しているが、共振器と変調器を集積した半導体光素子においても本発明を同様に適用でき、同様の効果が得られることは言うまでもない。

また、本発明に係る半導体光素子Ｌ１〜Ｌ７は、伝送信号に応じて変調した光信号を出力する光通信モジュールに搭載することとしてよい。

ＬＣ，Ｌ１〜Ｌ７ 半導体光素子、１ 回折格子層、２ 位相シフト部、３ 活性層、４ 光導波路領域、５ Ｐ型電極、６ Ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、７ コーティング膜、８ Ｐ型ＩｎＰクラッド層、９ Ｐ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層、１０ Ｎ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層、１１ Ｎ型ＩｎＰクラッド層、１３ Ｎ側電極、１４ ＳｉＯ２絶縁膜、１５ コーティング膜。

Claims (11)

1. 位相シフト部を有する回折格子を含む回折格子層と、
   発振波長に対して利得がある活性層を含む第１の半導体領域と、前記発振波長に対して利得がない第２の半導体領域と、を含む光導波路層と、を含み、
   前記第２の半導体領域を前記位相シフト部の少なくとも下側または上側に設けた
   ことを特徴とする半導体光素子。
2. 請求項１に記載の半導体光素子であって、
   前記回折格子の周期をΛとしたとき、前記位相シフト部の位相シフト量ΔφがΔφ＝（ｍ＋１／２）×Λ（ｍは０以上の整数）である
   ことを特徴とする半導体光素子。
3. 請求項１又は２に記載の半導体光素子であって、
   前記位相シフト部の中心位置と、前記第１の半導体領域と前記第２の半導体領域の接続部との距離は１０μｍ以上である
   ことを特徴とする半導体光素子。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体光素子であって、
   前記位相シフト部は、回折格子の不連続、回折格子ピッチの変動、ストライプ幅の変動、または光導波路膜厚の変動により構成される
   ことを特徴とする半導体光素子。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体光素子であって、
   前記回折格子は、前記光導波路層の前端から後端に沿って設けられている
   ことを特徴とする半導体光素子。
6. 請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体光素子であって、
   前記光導波路層は、前記第２の半導体領域と、前記第２の半導体領域の間に設けられた前記第１の半導体領域とを含み、
   前記光導波路層の後端側に位置する前記第２の半導体領域を前記位相シフト部の少なくとも下側または上側に設けた
   ことを特徴とする半導体光素子。
7. 請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体光素子であって、
   前記光導波路層の前端面に形成した無反射コーティング膜を含み、
   前記回折格子を、前記回折格子層のうち前記光導波路層の前端から所定範囲内には設けない
   ことを特徴とする半導体光素子。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体光素子であって、
   前記光導波路層の上方の一部に形成された電極を備え、
   前記電極は、少なくとも前記第１の半導体領域の上方に設けられる
   ことを特徴とする半導体光素子。
9. 請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体光素子であって、
   前記光導波路層の前端から後端に渡って形成された電極を備える
   ことを特徴とする半導体光素子。
10. 請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体光素子であって、
    前記光導波路層の前端から後端に渡って形成された電極と、
    前記電極と、前記第２の半導体領域との間に形成された絶縁膜と、を備える
    ことを特徴とする半導体光素子。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の半導体光素子を搭載した光通信モジュール。

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