JP2015220323A - Semiconductor optical device - Google Patents

Semiconductor optical device Download PDF

Info

Publication number
JP2015220323A
JP2015220323A JP2014102588A JP2014102588A JP2015220323A JP 2015220323 A JP2015220323 A JP 2015220323A JP 2014102588 A JP2014102588 A JP 2014102588A JP 2014102588 A JP2014102588 A JP 2014102588A JP 2015220323 A JP2015220323 A JP 2015220323A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
active layer
thickness
optical device
semiconductor
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
Application number
JP2014102588A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
硴塚 孝明
Takaaki Kakizuka
孝明 硴塚
浩一 長谷部
Koichi Hasebe
浩一 長谷部
具就 佐藤
Tomonari Sato
具就 佐藤
浩司 武田
Koji Takeda
浩司 武田
拓郎 藤井
Takuro Fujii
拓郎 藤井
松尾 慎治
Shinji Matsuo
慎治 松尾
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP2014102588A priority Critical patent/JP2015220323A/en
Publication of JP2015220323A publication Critical patent/JP2015220323A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lateral implantation laser on an InP board preventing deterioration of the characteristics of laser by capable of suppressing degradation of optical confinement even when the width of an active layer is set to be less than 1 μm.SOLUTION: A semiconductor optical device 1 is so configured as to form an active layer 4 and an embedded waveguide structure on a semiconductor board 2, subject embedded layers 7 and 8 at both sides of the active layer to impurity doping, and laterally inject a current into the active layer in the lateral direction (width direction), where the thickness of an upper optical carrier separation and confinement (SCH) layer 5 is larger than the thickness of a lower optical carrier SCH layer 3. The thickness of the upper optical carrier SCH layer and the thickness of the lower optical carrier SCH layer are set so that the optical confinement of the active layer is maximum.

Description

本発明は、光通信用の光送信器用光源に関する。より詳細には、光源用の半導体レーザに適用可能な半導体光素子に関する。   The present invention relates to a light source for an optical transmitter for optical communication. More specifically, the present invention relates to a semiconductor optical device applicable to a semiconductor laser for a light source.

インターネットの普及に伴うネットワークトラフィック量の爆発的な増大により、光ファイバ伝送の高速・大容量化が続いている。半導体レーザは、光ファイバ通信を支える光源の基本的なデバイスとして発展を続けてきた。電流強度の変調によって強度変調信号を生成する直接変調レーザは、レーザの構成が簡単であり、しかも消費電力が小さいことから、アクセス系ネットワーク等において利用される低コストの光送信器として活用されている。   Due to the explosive increase in the amount of network traffic accompanying the spread of the Internet, optical fiber transmission continues to increase in speed and capacity. Semiconductor lasers have continued to develop as basic light source devices that support optical fiber communications. Direct modulation lasers that generate intensity-modulated signals by modulation of current intensity have simple laser configurations and low power consumption, so they are used as low-cost optical transmitters used in access networks and the like. Yes.

従来技術の半導体レーザでは、半導体基板上に、下部クラッド層、活性層および上部クラッド層を形成し、活性層の上下にあるクラッド層に不純物ドーピングを行って、縦方向(基板面に垂直な方向)に電流を注入する構造を持っていた。これに対し、活性層内に水平方向(基板面に平行な方向)に電流を注入するいわゆる横注入レーザが、Namizakiにより考案された(非特許文献1)。横注入レーザは、活性層の横にあるクラッド層に不純物ドーピングを行い、活性層の横方向(幅方向)に電流を注入する。横注入レーザにおいては、活性層の断面は、一般に基板に平行な方向に長い扁平な構造により形成される。同一の構造の活性層をレーザに用いた場合は、素子の寄生容量は、横注入構造の方が縦注入構造よりも低くなる。したがって、横注入構造のレーザの方がより高速に信号応答し、高速な変調動作に適している。また、横注入レーザでは電流注入用の電極をレーザの表面に形成できることから、電子デバイス等の集積化やモジュール化により適している点もすぐれた特徴である。   In a conventional semiconductor laser, a lower cladding layer, an active layer, and an upper cladding layer are formed on a semiconductor substrate, impurity doping is performed on the cladding layers above and below the active layer, and the longitudinal direction (direction perpendicular to the substrate surface) ) Had a structure for injecting current. In contrast, Namizaki devised a so-called lateral injection laser that injects a current in the active layer in a horizontal direction (a direction parallel to the substrate surface) (Non-patent Document 1). The lateral injection laser performs impurity doping on the cladding layer next to the active layer and injects a current in the lateral direction (width direction) of the active layer. In the lateral injection laser, the cross section of the active layer is generally formed by a flat structure that is long in a direction parallel to the substrate. When an active layer having the same structure is used for a laser, the parasitic capacitance of the element is lower in the lateral injection structure than in the vertical injection structure. Therefore, the laser having the lateral injection structure is more suitable for high-speed modulation operation because it responds more quickly to signals. In addition, since the lateral injection laser can form an electrode for current injection on the surface of the laser, it is also an excellent feature that it is suitable for integration of electronic devices and modularization.

具体的には、NamizakiらはGaAs基板上に構成した横注入型半導体レーザを実現し、その後、KawamuraらはInP基板上に構成した横注入レーザも実現した(非特許文献2)。以下、まず横注入レーザのより具体的な構成について説明する。   Specifically, Namizaki et al. Realized a lateral injection type semiconductor laser configured on a GaAs substrate, and Kawamura et al. Also realized a lateral injection laser configured on an InP substrate (Non-patent Document 2). Hereinafter, first, a more specific configuration of the lateral injection laser will be described.

図6は、従来技術の横注入レーザ用の導波路の構造を示す図である。レーザの共振器部分に利用される導波路を、光の往復方向に垂直な面で切った導波路構造100を示している。導波路構造100は、半絶縁性InP基板102上に活性層104が形成されており、さらに活性層104の上下には、下部光−キャリア分離閉じ込め(SCH:Separate Confinement Heterostructure)層103および上部SCH層105が上下対称の構造で形成されている。さらに、上部SCH層105の上には、InP層106が形成されている。活性層104の横は、左右ともにInPによって埋め込まれている。図6で活性層504の左側の埋込み層107には電流注入のためのn型ドーピングが施されており、活性層104の右側の埋込み層108には、p型ドーピングが施されている。埋込み層107および埋込み層108の上には、電流注入用のInGaAsコンタクト層109a、109bがそれぞれ形成されている。さらに、コンタクト層109a、109bの上には、それぞれ電流注入用の電極110a、110bが形成されている   FIG. 6 is a diagram showing the structure of a waveguide for a lateral injection laser according to the prior art. A waveguide structure 100 is shown in which a waveguide used for a resonator portion of a laser is cut by a plane perpendicular to the light reciprocation direction. In the waveguide structure 100, an active layer 104 is formed on a semi-insulating InP substrate 102, and a lower light-carrier separation confinement (SCH) layer 103 and an upper SCH are formed above and below the active layer 104, respectively. The layer 105 is formed in a vertically symmetrical structure. Further, an InP layer 106 is formed on the upper SCH layer 105. The sides of the active layer 104 are embedded with InP on both the left and right sides. In FIG. 6, the buried layer 107 on the left side of the active layer 504 is subjected to n-type doping for current injection, and the buried layer 108 on the right side of the active layer 104 is subjected to p-type doping. On the buried layer 107 and the buried layer 108, InGaAs contact layers 109a and 109b for current injection are formed. Furthermore, electrodes 110a and 110b for current injection are formed on the contact layers 109a and 109b, respectively.

Kawamuraらの検討においては、活性層504の上部のInPクラッド層503bの厚さは1.5μmであり、従来技術の縦注入レーザと変わらない構造であった。近年、Shindoらは、InP基板上に厚さ400nm弱の薄い活性層および薄いInP層から構成される薄膜横注入レーザを実現した(非特許文献3)。既に述べたように、横注入レーザ構造の場合、活性層の上下にあるクラッド層の厚さを薄くすることによって、素子の寄生容量を抑制できる利点がある。Shindoらは、横注入レーザにおいてこの薄膜構造を採用することにより、5GHzに至る広い変調帯域を実現した。   In the study by Kawamura et al., The thickness of the InP cladding layer 503b above the active layer 504 is 1.5 μm, which is the same structure as that of the conventional vertical injection laser. In recent years, Shindo et al. Realized a thin film lateral injection laser composed of a thin active layer having a thickness of less than 400 nm and a thin InP layer on an InP substrate (Non-patent Document 3). As already described, in the case of the lateral injection laser structure, there is an advantage that the parasitic capacitance of the element can be suppressed by reducing the thickness of the cladding layers above and below the active layer. Shindo et al. Realized a wide modulation band up to 5 GHz by adopting this thin film structure in a lateral injection laser.

H. Namizaki他, Journal of Applied Physics, vol. 45, pp. 2785-2786 (1974)H. Namizaki et al., Journal of Applied Physics, vol. 45, pp. 2785-2786 (1974) Y. Kawamura他, Electronics Letters, vol. 29, pp. 102-104 (1993)Y. Kawamura et al., Electronics Letters, vol. 29, pp. 102-104 (1993) T. Shindo他, Optics Express, vol. 19, pp. 1884-1891 (2011)T. Shindo et al., Optics Express, vol. 19, pp. 1884-1891 (2011)

横注入レーザは、活性層の横方向(幅方向)に電流を注入する構造を持っており、直接変調動作の際には注入電流の変調を行う。このため、素子の寄生容量の観点からは、活性層の上下にある層は上述のようにできる限り薄いことが望ましい。また、基板に対して平行方向へのキャリアの走行距離が長くなると応答が遅くなるため、高速変調の観点からは、なるべく活性層の幅を狭くできることが望ましい。しかしながら、従来技術の薄膜レーザにおいては、活性層104の幅を狭くすると活性層内の光が基板102側に大きく漏れ、活性層内への十分な光閉じ込めができなくなる問題があった。   The lateral injection laser has a structure for injecting current in the lateral direction (width direction) of the active layer, and modulates the injected current in the case of direct modulation operation. Therefore, from the viewpoint of the parasitic capacitance of the element, it is desirable that the layers above and below the active layer be as thin as possible as described above. Further, since the response becomes slow as the carrier travel distance in the direction parallel to the substrate increases, it is desirable that the width of the active layer can be made as narrow as possible from the viewpoint of high-speed modulation. However, in the conventional thin film laser, when the width of the active layer 104 is narrowed, the light in the active layer leaks greatly to the substrate 102 side, and there is a problem that sufficient light confinement in the active layer cannot be performed.

図7は、従来技術の横注入レーザにおける1次元スラブ構造の導波モードの電界分布の
計算結果を示す図である。横軸は、基板の厚さ方向における位置を示しており、縦軸は、屈折率および電界強度を示している。グラフ内の横軸曲線分布と上側の厚さ方向の各層構造が対応している。活性層104は、井戸層厚6nmおよびバリア層厚9nmの14層で構成された発光波長1.55μmの量子井戸として計算した。活性層の上下には、バンドギャップ波長1.2μmのInGaAsP SCH層103、105とし、上下SCH層の厚さはそれぞれ同一長さの65nmとした。活性層104の上方(図7の右側)のInP層の厚さは100nmとした。
FIG. 7 is a diagram showing the calculation result of the electric field distribution of the waveguide mode of the one-dimensional slab structure in the conventional lateral injection laser. The horizontal axis indicates the position in the thickness direction of the substrate, and the vertical axis indicates the refractive index and the electric field strength. The horizontal curve distribution in the graph corresponds to each layer structure in the upper thickness direction. The active layer 104 was calculated as a quantum well having a light emission wavelength of 1.55 μm composed of 14 layers having a well layer thickness of 6 nm and a barrier layer thickness of 9 nm. The InGaAsP SCH layers 103 and 105 having a band gap wavelength of 1.2 μm are formed above and below the active layer, and the thicknesses of the upper and lower SCH layers are set to 65 nm, which are the same length. The thickness of the InP layer above the active layer 104 (the right side in FIG. 7) was 100 nm.

縦注入型の半導体レーザにおいては、キャリアおよび光を効率的に閉じ込めるために、活性層の上下に2つのSCH層を設け、上下対称のSCH構造を設けるのが一般的であった。すなわち、下部SCH層の厚さと上部SCH層の厚さが同一の構成をとっていた。縦注入型では上部クラッド層を十分に厚く取ることが可能であって、基板に垂直な方向に対する光の導波モードの電界分布は上下対称となるため、活性層中心位置と電界分布の中心位置は一致する。   In a vertical injection type semiconductor laser, in order to efficiently confine carriers and light, it is common to provide two SCH layers above and below an active layer and provide a vertically symmetrical SCH structure. That is, the thickness of the lower SCH layer and the thickness of the upper SCH layer are the same. In the vertical injection type, the upper cladding layer can be made sufficiently thick, and the electric field distribution of the waveguide mode of light with respect to the direction perpendicular to the substrate is vertically symmetric, so the center position of the active layer and the center position of the electric field distribution Match.

しかしながら、図6に示した薄膜構造を用いた横注入型のレーザに、縦注入型のレーザの構造をそのまま適用した場合、光の導波モードの電界分布および光閉じ込めの状況は、素子上面の空気の影響を強く受ける。図7でも明らかなように、導波モードの電界分布は基板102側に大きく広がり、活性層の中心位置113と電界分布の中心位置114が一致しないため、光閉じ込めが低下している。この電界分布が基板側へずれる傾向は、特に活性層104の幅が狭くなるほど顕著となる。   However, when the structure of the vertical injection type laser is applied as it is to the lateral injection type laser using the thin film structure shown in FIG. 6, the electric field distribution of the optical waveguide mode and the optical confinement are as follows. Strongly affected by air. As is clear from FIG. 7, the electric field distribution in the waveguide mode greatly spreads toward the substrate 102, and the center position 113 of the active layer does not coincide with the center position 114 of the electric field distribution, so that the optical confinement is lowered. This tendency of the electric field distribution to shift toward the substrate side becomes more remarkable as the width of the active layer 104 becomes narrower.

図8は、2次元の埋込み導波路における、光閉じ込め係数の活性層幅依存性を示す図である。ここでは、活性層の幅方向および活性層の厚み方向の2次元を考慮した光閉じ込め係数を計算している。光閉じ込め係数は、一般的に、全体の電界強度に対する活性層の量子井戸内の電界強度の比として定義される。有限差分法などを用いて2次元断面の伝搬モードの電界分布を計算し、全体の電界強度と、活性層内の電界強度を数値計算することで求められる。図8のグラフでは、TEモードに対する光閉じ込め係数の計算を行った。前提となる導波路構造は、図7で計算した構造条件と同様である。   FIG. 8 is a diagram illustrating the dependence of the optical confinement coefficient on the active layer width in a two-dimensional buried waveguide. Here, the optical confinement factor is calculated in consideration of two dimensions in the width direction of the active layer and the thickness direction of the active layer. The optical confinement factor is generally defined as the ratio of the electric field strength in the quantum well of the active layer to the total electric field strength. It is obtained by calculating the electric field distribution of the propagation mode of the two-dimensional cross section using a finite difference method or the like and numerically calculating the entire electric field strength and the electric field strength in the active layer. In the graph of FIG. 8, the optical confinement coefficient for the TE mode was calculated. The prerequisite waveguide structure is the same as the structure condition calculated in FIG.

図8に示したように、活性層幅の低下に伴い大幅に光閉じ込め係数が低下し、活性層内の光閉じ込めの程度が下がって、レーザの特性は劣化する。この光閉じ込め係数の低下の影響により、InP基板上の横注入レーザにおいて、活性層104の幅が1μm未満の横注入薄膜レーザはこれまで実現できていなかった。したがって、横注入レーザにおいて、活性層104の幅を狭くした場合においても、光閉じ込めの低下を抑制することが望まれていた。   As shown in FIG. 8, the optical confinement factor is greatly reduced with the reduction of the active layer width, the degree of optical confinement in the active layer is lowered, and the laser characteristics are deteriorated. Due to the influence of the reduction of the optical confinement factor, a lateral injection thin film laser having a width of the active layer 104 of less than 1 μm has not been realized in the lateral injection laser on the InP substrate. Therefore, in the lateral injection laser, it has been desired to suppress a decrease in optical confinement even when the width of the active layer 104 is narrowed.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、活性層の幅を狭くした場合においても、効率が高く、高速動作可能な半導体レーザを実現することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to realize a semiconductor laser capable of high efficiency and high speed operation even when the width of the active layer is narrowed. It is in.

本発明はこのような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、半導体基板と、前記半導体基板の上に形成された活性層と、前記活性層の両側に埋込み層とを備えた導波路構造が形成され、前記埋込み層の一方に第1のタイプの不純物ドーピングが施され、前記埋込み層の他方に第2のタイプの不純物ドーピングが施され、前記一方の埋め込み層および前記他方の埋め込み層の間で、前記活性層に横方向に電流注入を行う構造が形成されている半導体光素子において、前記導波路構造は、前記活性層の前記基板側に、前記活性層に接して形成され、第1の厚さを持つ下部光キャリア分離閉じ込め層と、前記活性層を挟み、前記下部光キャリア分離閉じ込め層に対向して、前記活性層に接して形成され、前記第1の厚さよりも大きい第2の厚さを持つ上部光キャリア分離閉じ込め層とを備えたことを特徴とする半導体光素子である。
請求項2に記載の発明は、請求項1の半導体光素子において、前記上部光キャリア分離閉じ込め層上に、クラッド層をさらに備えたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention includes a semiconductor substrate, an active layer formed on the semiconductor substrate, and buried layers on both sides of the active layer. A waveguide structure is formed, one of the buried layers is doped with a first type of impurity, the other of the buried layers is doped with a second type of impurity, the one buried layer and the other In the semiconductor optical device in which a structure for performing current injection in the lateral direction is formed between the buried layers, the waveguide structure is in contact with the active layer on the substrate side of the active layer. A lower optical carrier isolation and confinement layer having a first thickness and the active layer sandwiched between the lower optical carrier isolation and confinement layer and facing the lower optical carrier isolation and confinement layer; 2nd larger than Further comprising an upper beam carrier separate confinement layers having a thickness of a semiconductor optical device according to claim.
According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor optical device according to the first aspect, a clad layer is further provided on the upper optical carrier separation confinement layer.

請求項3に記載の発明は、請求項1または2の半導体光素子において、前記活性層の光閉じ込めが最大となるように前記第1の厚さおよび前記第2の厚さが設定されたことを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor optical device according to the first or second aspect, the first thickness and the second thickness are set so that optical confinement of the active layer is maximized. It is characterized by.

請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3いずれかの半導体光素子において、前記半導体基板は半絶縁性InP基板であって、前記活性層および前記光キャリア分離閉じ込め層は、それぞれInGaAsPまたはInGaAlAsからなり、前記埋込み層はInPからなり、前記第1のタイプはp型の不純物ドーピングに対応し、前記第2のタイプはn型の不純物ドーピングに対応することを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor optical device according to any one of the first to third aspects, the semiconductor substrate is a semi-insulating InP substrate, and the active layer and the optical carrier separation and confinement layer are respectively InGaAsP or The buried layer is made of InP, the first type corresponds to p-type impurity doping, and the second type corresponds to n-type impurity doping.

請求項5に記載の発明は、請求項2乃至4いずれかの半導体光素子において、前記上部クラッド層は、InPからなることを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the semiconductor optical device according to any one of the second to fourth aspects, the upper cladding layer is made of InP.

請求項6に記載の発明は、請求項1乃至5いずれかの半導体光素子において、前記活性層、前記光キャリア分離閉じ込め層および前記上部クラッド層の各厚さの和が、350nmから550nmの間にあることを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, in the semiconductor optical device according to any one of the first to fifth aspects, the sum of the thicknesses of the active layer, the optical carrier separating and confining layer, and the upper cladding layer is between 350 nm and 550 nm. It is characterized by that.

請求項7に記載の発明は、請求項1乃至6いずれかの半導体光素子において、前記上部光キャリア分離閉じ込め層と下部光キャリア分離閉じ込め層の厚さの比が6:4以上であって、前記上部光キャリア分離閉じ込め層がより厚いことを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, in the semiconductor optical device according to any one of the first to sixth aspects, a thickness ratio of the upper optical carrier separation confinement layer and the lower optical carrier separation confinement layer is 6: 4 or more, The upper optical carrier separation and confinement layer is thicker.

請求項8に記載の発明は、請求項1乃至7いずれかに記載の半導体光素子の前記導波路構造を持つことを特徴とする半導体レーザである。   According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor laser having the waveguide structure of the semiconductor optical device according to any one of the first to seventh aspects.

請求項9に記載の発明は、請求項1乃至8いずれかに記載の半導体光素子の前記導波路構造を持ち、前記活性層の上方に形成された表面回折格子を備えたことを特徴とする分布帰還型半導体レーザである。   The invention according to claim 9 is characterized in that it has the waveguide structure of the semiconductor optical device according to any one of claims 1 to 8, and comprises a surface diffraction grating formed above the active layer. This is a distributed feedback semiconductor laser.

以上説明したように、本発明の半導体光素子の構成によれば、活性層の幅を狭くした場合においても、効率が高くかつ高速動作可能な半導体レーザを実現することができる。   As described above, according to the configuration of the semiconductor optical device of the present invention, it is possible to realize a semiconductor laser capable of high efficiency and high speed operation even when the width of the active layer is narrowed.

図1は、本発明の横注入レーザの導波路および全体構造を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a waveguide and an overall structure of a lateral injection laser according to the present invention. 図2は、2つのSCH層の厚さを変化させた場合の、1次元スラブ構造における活性層の光閉じ込め係数の計算結果を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the calculation result of the optical confinement coefficient of the active layer in the one-dimensional slab structure when the thicknesses of the two SCH layers are changed. 図3は、従来技術および本発明の半導体光素子の各構造による横注入レーザにおいて、活性層の光閉じ込め係数と活性層幅との関係を比較して示した図である。FIG. 3 is a diagram comparing and comparing the relationship between the optical confinement factor of the active layer and the active layer width in the lateral injection lasers having the structures of the prior art and the semiconductor optical device of the present invention. 図4は、従来技術および本発明の半導体光素子の各構造による横注入レーザの間で、光閉じ込め係数の比を示した図である。FIG. 4 is a diagram showing the ratio of the optical confinement factor between the transverse injection lasers according to the structures of the prior art and the semiconductor optical device of the present invention. 図5は、従来技術および本発明の半導体光素子の各構造による分布帰還型レーザにおいて閾値電流の計算値を比較して示した図である。FIG. 5 is a diagram comparing the calculated values of the threshold currents in the distributed feedback laser having the structures of the prior art and the semiconductor optical device of the present invention. 図6は、従来技術の横注入レーザ用の導波路の構造を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the structure of a waveguide for a lateral injection laser according to the prior art. 図7は、従来技術の横注入レーザにおける1次元スラブ構造の導波モードの電界分布の計算結果を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the calculation result of the electric field distribution of the waveguide mode of the one-dimensional slab structure in the conventional lateral injection laser. 図8は、2次元の埋込み導波路における、光閉じ込め係数の活性層幅依存性を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating the dependence of the optical confinement coefficient on the active layer width in a two-dimensional buried waveguide. 図9は、活性層厚さHactが100nmで、コア層厚さ、上部InPクラッド層の厚さ、SCH層の厚さを組合せた場合の閉じ込め係数の比較図である。FIG. 9 is a comparison diagram of confinement factors when the active layer thickness H act is 100 nm and the core layer thickness, the upper InP cladding layer thickness, and the SCH layer thickness are combined. 図10は、活性層厚さHactが200nmで、コア層厚さ、上部InPクラッド層の厚さ、SCH層の厚さを組合せた場合の閉じ込め係数の比較図である。FIG. 10 is a comparison diagram of confinement factors when the active layer thickness H act is 200 nm and the core layer thickness, upper InP cladding layer thickness, and SCH layer thickness are combined.

本発明の半導体光素子は、半導体基板上に、活性層および埋込み導波路構造が形成され、活性層の両側にある埋込み層に不純物ドーピングが施され、活性層に横方向(幅方向)に電流注入を行う構造において、上部光キャリア分離閉じ込め(SCH)層の厚さが下部光キャリアSCH層の厚さよりも厚くなるように構成されている。また、活性層の光閉じ込めが最大となるように上部光キャリアSCH層の厚さと下部光キャリアSCH層の厚さが設定される。活性層の横にある埋込み層に、不純物ドーピングを行い、活性層に横方向に電流注入を行う構造を形成することで、半導体レーザを構成できる。また、上述の半導体光素子において、活性層の表面に回折格子を形成することで分布帰還型半導体レーザを構成できる。さらに、本発明は、活性層に逆バイアスを印加することで、電界吸収変調器にも適用できる。以下、図面を参照しながら、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。   In the semiconductor optical device of the present invention, an active layer and a buried waveguide structure are formed on a semiconductor substrate, impurity doping is performed on the buried layers on both sides of the active layer, and current is applied to the active layer in the lateral direction (width direction). In the structure in which the injection is performed, the thickness of the upper optical carrier separation confinement (SCH) layer is configured to be larger than the thickness of the lower optical carrier SCH layer. Further, the thickness of the upper optical carrier SCH layer and the thickness of the lower optical carrier SCH layer are set so that the optical confinement of the active layer is maximized. A semiconductor laser can be configured by forming a structure in which impurity is doped in the buried layer next to the active layer and current is injected in the lateral direction in the active layer. In the semiconductor optical device described above, a distributed feedback semiconductor laser can be configured by forming a diffraction grating on the surface of the active layer. Furthermore, the present invention can be applied to an electroabsorption modulator by applying a reverse bias to the active layer. Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1の(a)は、本発明の半導体光素子を横注入レーザに適用した導波路の構造を示す図である。図1の(a)では、レーザの共振器部分に利用される導波路を共振器内の光の往復方向に垂直な面で切った導波路構造1を示している。導波路構造1は、半絶縁性InP基板2上に、バンドギャップ波長1.2μmのInGaAsP光キャリア分離閉じ込め(以下、下部SCH層とする)層3、発光波長1.55μmのInGaAsP活性層4が順次形成されている。活性層4は、井戸層厚6nmおよびバリア層厚9nmの14層で構成された量子井戸から形成される。活性層4の上にはバンドギャップ波長1.2μmのInGaAsP 上部SCH層5が形成されている。さらに活性層4の上方で上部SCH層5の上には、厚さ100nmのInP層6が形成されている。   FIG. 1A is a diagram showing the structure of a waveguide in which the semiconductor optical device of the present invention is applied to a lateral injection laser. FIG. 1A shows a waveguide structure 1 in which a waveguide used for a laser resonator is cut by a plane perpendicular to the reciprocating direction of light in the resonator. The waveguide structure 1 includes an InGaAsP optical carrier separation confinement (hereinafter referred to as a lower SCH layer) layer 3 having a band gap wavelength of 1.2 μm and an InGaAsP active layer 4 having an emission wavelength of 1.55 μm on a semi-insulating InP substrate 2. It is formed sequentially. The active layer 4 is formed of a quantum well composed of 14 layers having a well layer thickness of 6 nm and a barrier layer thickness of 9 nm. An InGaAsP upper SCH layer 5 having a band gap wavelength of 1.2 μm is formed on the active layer 4. Further, an InP layer 6 having a thickness of 100 nm is formed on the upper SCH layer 5 above the active layer 4.

本発明の半導体光素子の構造を使った横注入レーザ用導波路では、上部SCH層5の厚さは下部SCH層3の厚さよりも厚く設定しており、ここでは上部SCH層5の厚さを110nm、下部SCH層3の厚さを20nmとしている。従来技術の横注入レーザの構成では、2つのSCH層を同じ厚さとしていた点とくらべて、対照的な構成となっている。   In the lateral injection laser waveguide using the structure of the semiconductor optical device of the present invention, the thickness of the upper SCH layer 5 is set to be greater than the thickness of the lower SCH layer 3, and here the thickness of the upper SCH layer 5 is set. 110 nm, and the thickness of the lower SCH layer 3 is 20 nm. The configuration of the prior art lateral injection laser is in contrast to the configuration in which the two SCH layers have the same thickness.

InP層6の表面には、InPをエッチングすることによって、InPおよび空気からなるブラッグ波長1.55μmの回折格子が形成されている。活性層4の両側は、異なるタイプのドーピングが施されたInPによって埋め込まれている。すなわち、電流注入のために、図1の活性層4の左側には、ドーピング濃度1×1018cm−3のSiのn型ドーピング層7が、活性層4の右側には、ドーピング濃度1×1018cm−3のZnのp型ドーピング層8が構成されている。埋め込み層7、8の上部には、電流注入用のInGaAsコンタクト層9a、9bがそれぞれ形成され、それぞれドーピング濃度1×1019cm−3のn型ドーピング、p型ドーピングが施されている。さらにコンタクト層領域9a、9b上には、電流注入用の電極10a、10bがそれぞれ形成されている。 On the surface of the InP layer 6, a diffraction grating having a Bragg wavelength of 1.55 μm made of InP and air is formed by etching InP. Both sides of the active layer 4 are filled with InP with different types of doping. That is, for current injection, a Si n-type doping layer 7 having a doping concentration of 1 × 10 18 cm −3 is formed on the left side of the active layer 4 in FIG. A p-type doping layer 8 of 10 18 cm −3 of Zn is formed. On the buried layers 7 and 8, InGaAs contact layers 9a and 9b for current injection are formed, respectively, and n-type doping and p-type doping with a doping concentration of 1 × 10 19 cm −3 are performed, respectively. Furthermore, current injection electrodes 10a and 10b are formed on the contact layer regions 9a and 9b, respectively.

したがって、本発明の半導体光素子は、半導体基板2と、前記半導体基板の上に形成された活性層4と、前記活性層の両側に埋込み層7、8とを備えた導波路構造が形成され、前記埋込み層の一方に第1のタイプの不純物ドーピングが施され、前記埋込み層の他方に第2のタイプの不純物ドーピングが施され、前記一方の埋め込み層および前記他方の埋め込み層の間で、前記活性層に横方向に電流注入を行う構造が形成されている半導体光素子において、前記導波路構造は、前記活性層の前記基板側に、前記活性層に接して形成され、第1の厚さを持つ下部光キャリア分離閉じ込め層3と、前記活性層を挟み、前記下部光キャリア分離閉じ込め層に対向して、前記活性層に接して形成され、前記第1の厚さよりも大きい第2の厚さを持つ上部光キャリア分離閉じ込め層5とを備えたものとして実現される。   Therefore, the semiconductor optical device of the present invention has a waveguide structure including the semiconductor substrate 2, the active layer 4 formed on the semiconductor substrate, and the buried layers 7 and 8 on both sides of the active layer. A first type of impurity doping is performed on one of the buried layers, a second type of impurity doping is performed on the other of the buried layers, and between the one buried layer and the other buried layer, In the semiconductor optical device in which a current injection structure is formed in the active layer in the lateral direction, the waveguide structure is formed on the substrate side of the active layer in contact with the active layer, and has a first thickness. A lower optical carrier isolation / confinement layer 3 having a thickness, and a second optical carrier sandwiched between the active layer and in contact with the active layer, opposite the lower optical carrier isolation / confinement layer, and having a second thickness greater than the first thickness Top with thickness It is implemented as having a carrier separate confinement layer 5.

図1の(b)は、本発明の半導体光素子の構造を適用した横注入レーザを斜め上から見た鳥瞰図である。本発明の半導体光素子の構造を適用した横注入レーザは、最上面のInP層上であって電極10a、10bの間の領域に表面回折格子11が形成され、これによって共振器が形成された分布帰還型レーザである。共振器両端のレーザ出力端面には無反射コーティングが施してある。本発明の横注入レーザの作製にあたっては、結晶成長には有機金属気相成長法(MOVPE)、レーザ導波路構造および回折格子の作製にはウェットエッチングまたはドライエッチング等の一般的な半導体レーザの作製方法を用いることができる。活性層4の左右の電流注入用の埋め込みドーピング層7、8は、n型ドーピングのInPおよびp型ドーピングのInPを、それぞれ埋込み再成長によって形成することができる。また、活性層4の形成後に、真性InPを埋込み再成長し、その後にイオン注入または熱拡散等の手法で、ドーパントを形成しても良い。次に、本発明に特有のSCH層の設計方法について説明する。   FIG. 1B is a bird's-eye view of a lateral injection laser to which the structure of the semiconductor optical device of the present invention is applied, viewed from obliquely above. In the lateral injection laser to which the structure of the semiconductor optical device of the present invention is applied, the surface diffraction grating 11 is formed in the region between the electrodes 10a and 10b on the uppermost InP layer, thereby forming a resonator. This is a distributed feedback laser. Anti-reflective coating is applied to the laser output end faces at both ends of the resonator. In producing the lateral injection laser of the present invention, metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) is used for crystal growth, and a general semiconductor laser such as wet etching or dry etching is used for producing a laser waveguide structure and a diffraction grating. The method can be used. The buried doping layers 7 and 8 for current injection on the left and right sides of the active layer 4 can be formed by burying regrowth with n-type doped InP and p-type doped InP, respectively. Further, after the active layer 4 is formed, intrinsic InP may be buried and regrown, and then a dopant may be formed by a technique such as ion implantation or thermal diffusion. Next, an SCH layer design method unique to the present invention will be described.

図2は、2つのSCH層の厚さを同時に変化させた場合の、1次元スラブ構造における活性層の光閉じ込め係数の計算結果を示す図である。図1の構成において、上部SCH層および下部SCH層の2つの合計の厚さを一定値130nmに固定し、上部SCH層5の厚さを変化させた場合に対応する、1次元スラブ構造における活性層の光閉じ込め係数の値を示す。すなわち、基板の厚さ方向のみを考慮して光閉じ込め係数の計算を行った。従来技術の構造のレーザは、2つのSCH層の厚さが同じで上下対称の構造を持っており、下部SCH層3および上部SCH層5がいずれも65nmの構造が用いられていた。図2でこの従来技術に対応する状況(幅が65nm)の場合、前述のように光の導波モードの電界分布が基板側に広がり、電界分布の中心位置と活性層の中心位置とが一致していないため、光閉じ込め係数はそのピークから相当程度に低下していることがわかる。   FIG. 2 is a diagram showing a calculation result of the optical confinement coefficient of the active layer in the one-dimensional slab structure when the thicknesses of the two SCH layers are changed simultaneously. In the configuration of FIG. 1, the total thickness of the upper SCH layer and the lower SCH layer is fixed to a constant value of 130 nm, and the activity in the one-dimensional slab structure corresponding to the case where the thickness of the upper SCH layer 5 is changed. The value of the optical confinement factor of the layer is shown. That is, the optical confinement factor was calculated in consideration of only the thickness direction of the substrate. The laser having the structure of the prior art has a structure in which the two SCH layers have the same thickness and are vertically symmetrical, and the lower SCH layer 3 and the upper SCH layer 5 both have a structure of 65 nm. In the situation corresponding to this prior art in FIG. 2 (width is 65 nm), the electric field distribution of the waveguide mode of light spreads to the substrate side as described above, and the center position of the electric field distribution and the center position of the active layer are one. Since it did not do, it turns out that the optical confinement factor has fallen considerably from the peak.

一方で、図2の曲線を右方向に向かって上部SCH層5の厚さを増大させ、下部SCH層の厚さを減少させて行くと、光閉じ込め係数の値が大きくなり、厚さ110nm付近で最大となる。このとき、下部SCH層3は20nm、上部SCH層5は110nmとなっている。この光閉じ込め係数最大値の近傍の領域では、活性層の中心位置と、導波モードの電界分布の中心位置がほぼ一致している。従来技術の上下対称の構造と、上部SCH層5の厚さを下部SCH層3の厚さよりも厚く設定した本発明の構造とを比較すると、本発明により光閉じ込めの値が増大することは明らかである。したがって、本発明の半導体光素子は、前記活性層の光閉じ込めが最大となるように下部光キャリア分離閉じ込め層3の第1の厚さおよび上部光キャリア分離閉じ込め層5の第2の厚さが設定されることになる。   On the other hand, when the thickness of the upper SCH layer 5 is increased toward the right in the curve of FIG. 2 and the thickness of the lower SCH layer is decreased, the value of the optical confinement factor increases, and the thickness is around 110 nm. Is the largest. At this time, the lower SCH layer 3 is 20 nm, and the upper SCH layer 5 is 110 nm. In the region near the maximum value of the optical confinement coefficient, the center position of the active layer and the center position of the electric field distribution of the waveguide mode are almost the same. Comparing the prior art vertically symmetric structure with the structure of the present invention in which the thickness of the upper SCH layer 5 is set larger than the thickness of the lower SCH layer 3, it is clear that the optical confinement value is increased by the present invention. It is. Therefore, in the semiconductor optical device of the present invention, the first thickness of the lower optical carrier isolation and confinement layer 3 and the second thickness of the upper optical carrier isolation and confinement layer 5 are set so that the optical confinement of the active layer is maximized. Will be set.

図3は、従来技術および本発明の半導体光素子の各構造による横注入レーザにおいて、埋込み構造の活性層の光閉じ込め係数を、活性層幅を変えながら比較して示した図である。従来技術の構造は、上部SCH層および下部SCH層をいずれも65nmとした。本発明の構造は、上部SCH層を110nm、下部SCH層を20nmとした。図3からも明らかなように、本発明の構造のほうが、活性層の幅の全領域でより大きい光閉じ込め係数を持っている。次にも述べるとおり、本発明の半導体光素子の構成は、とりわけ活性層幅が狭い半導体光素子ほど有効である。   FIG. 3 is a diagram comparing the optical confinement coefficient of the active layer of the buried structure while changing the width of the active layer in the lateral injection laser having the structures of the prior art and the semiconductor optical device of the present invention. In the prior art structure, the upper SCH layer and the lower SCH layer are both 65 nm. In the structure of the present invention, the upper SCH layer was 110 nm and the lower SCH layer was 20 nm. As is apparent from FIG. 3, the structure of the present invention has a larger optical confinement factor in the entire region of the width of the active layer. As will be described below, the configuration of the semiconductor optical device of the present invention is particularly effective for a semiconductor optical device having a narrow active layer width.

図4は、従来技術および本発明の半導体光素子の各構造による横注入レーザの間で、光閉じ込め係数の比の導波路幅依存性を示した図である。図3に示した光閉じ込め係数の各計算結果から、光閉じ込め比(本発明の構造の係数/従来技術構造の係数)を求めた。いずれの場合も、活性層幅が狭くなるに伴って光閉じ込め係数は低下しているが、本発明の構成と従来技術の構造と比較すると、光閉じ込め係数の低下を抑制することができていることがわかる。特に、活性層幅が0.6μmの横注入レーザ素子においては、1.3倍もの改善が見られ、本発明の半導体光素子の構成は、活性層幅が狭い場合ほど有効であることがわかる。   FIG. 4 is a diagram showing the waveguide width dependence of the ratio of the optical confinement factor between the conventional technology and the lateral injection laser having the structures of the semiconductor optical device of the present invention. From each calculation result of the optical confinement coefficient shown in FIG. 3, the optical confinement ratio (coefficient of the structure of the present invention / coefficient of the prior art structure) was obtained. In either case, the optical confinement factor decreases as the active layer width becomes narrower, but the reduction of the optical confinement factor can be suppressed when compared with the configuration of the present invention and the structure of the prior art. I understand that. In particular, in a lateral injection laser device having an active layer width of 0.6 μm, an improvement of 1.3 times is observed, and it can be seen that the configuration of the semiconductor optical device of the present invention is more effective as the active layer width is narrower. .

図5は、従来技術および本発明の半導体光素子の各構造による分布帰還型レーザの閾値電流の計算値を比較して示した図である。横軸に共振器長(μm)を取り、縦軸に閾値電流(mA)を取っている。回折格子の結合定数は100cm−1とした。本発明の半導体光素子の構造による閾値の改善の効果は明らかであり、特に共振器長が短い場合において閾値電流の改善効果が大きい。以上より、本発明により、効率の高い横注入レーザを実現することができる。 FIG. 5 is a diagram comparing the calculated values of the threshold current of the distributed feedback laser with each structure of the prior art and the semiconductor optical device of the present invention. The horizontal axis represents the resonator length (μm), and the vertical axis represents the threshold current (mA). The coupling constant of the diffraction grating was 100 cm −1 . The effect of improving the threshold due to the structure of the semiconductor optical device of the present invention is clear, and the effect of improving the threshold current is particularly large when the resonator length is short. As described above, according to the present invention, a highly efficient lateral injection laser can be realized.

次に、活性層の材料が異なる場合のより具体的な構成例を示す。図1に示した導波路構造において、活性層4を発光波長1.55μmのInGaAsP材料からなる量子井戸構造またはバルク構造とする。実施例1と同様に、バンドギャップ波長1.2μmの下部SCH層3、上部SCH層5、上部InPクラッド層6を持つ構成とする。活性層4および上下のSCH層を合わせたコア層の厚さをHcore、活性層の厚さをHact、上部InPクラッド層の厚さをHInP、上下のSCH層を合わせたSCH層厚さをHSCHとした場合の種々の組み合わせにおいて、最適な上部SCH層の厚さを検討した。すなわち、次の各グラフにおいてHSCHは、上部SCH層5の厚さおよび下部SCH層3の厚さの和を示している。このSCH層厚さHSCHを一定に保った上で、上部SCHの厚さの最適値を調べている。 Next, a more specific configuration example when the material of the active layer is different is shown. In the waveguide structure shown in FIG. 1, the active layer 4 has a quantum well structure or a bulk structure made of an InGaAsP material having an emission wavelength of 1.55 μm. Similar to the first embodiment, the lower SCH layer 3, the upper SCH layer 5, and the upper InP cladding layer 6 having a band gap wavelength of 1.2 μm are used. The core layer thickness of the active layer 4 and the upper and lower SCH layers is H core , the active layer thickness is H act , the upper InP cladding layer thickness is H InP , and the SCH layer thickness of the upper and lower SCH layers combined In various combinations where the thickness is H SCH , the optimum thickness of the upper SCH layer was studied. That is, in each of the following graphs, H SCH indicates the sum of the thickness of the upper SCH layer 5 and the thickness of the lower SCH layer 3. The optimum value of the thickness of the upper SCH is examined while keeping the SCH layer thickness H SCH constant.

図9は、活性層の厚さHactが100nmの場合で、コア層厚さHcore、上部InPクラッド層の厚さHInP、SCH層の厚さHSCHを組み合わせた場合の活性層内の閉じ込め係数を比較した図である。図9の(a)はコア層厚さHcore=250nm、SCH層の厚さHSCH=150nmの場合を、図9の(b)はコア層厚さHcore=350nm、SCH層の厚さHSCH=250nmの場合を、図9の(c)はコア層厚さHcore=450nm、SCH層の厚さHSCH=350nmの場合をそれぞれ示す。 FIG. 9 shows the case where the active layer thickness H act is 100 nm, the core layer thickness H core , the upper InP cladding layer thickness H InP , and the SCH layer thickness H SCH are combined. It is the figure which compared the confinement factor. 9A shows the case where the core layer thickness H core = 250 nm and the SCH layer thickness H SCH = 150 nm, and FIG. 9B shows the core layer thickness H core = 350 nm and the SCH layer thickness. FIG. 9C shows the case where H SCH = 250 nm, and FIG. 9C shows the case where the core layer thickness H core = 450 nm and the SCH layer thickness H SCH = 350 nm.

図10は、活性層の厚さHactが200nmの場合で、コア層厚さHcore、上部InPクラッド層の厚さHInP、SCH層の厚さHSCHを組み合わせた場合の活性層内の閉じ込め係数を比較した図である。図10の(a)はコア層厚さHcore=250nm、SCH層の厚さHSCH=50nmの場合を、図10の(b)はコア層厚さHcore=350nm、SCH層の厚さHSCH=150nmの場合を、図10の(c)はコア層厚さHcore=450nm、SCH層の厚さHSCH=250nmの場合をそれぞれ示す。 FIG. 10 shows the case where the active layer thickness H act is 200 nm, the core layer thickness H core , the upper InP cladding layer thickness H InP , and the SCH layer thickness H SCH are combined. It is the figure which compared the confinement factor. 10A shows the case where the core layer thickness H core = 250 nm and the SCH layer thickness H SCH = 50 nm, and FIG. 10B shows the core layer thickness H core = 350 nm and the SCH layer thickness. In the case of H SCH = 150 nm, FIG. 10C shows the case where the core layer thickness H core = 450 nm and the SCH layer thickness H SCH = 250 nm.

いずれのグラフも、横軸は上部SCH層の厚さを示している。横軸の左端は上部SCH層が0nmかつ下部SCH厚が最大となる構造に対応し、横軸の右端は上部SCH層が最大かつ下部SCH層が0nmとなる構造に対応する。また、各グラフ横軸中央はSCH層が上下対称な構成の場合に対応する。   In each graph, the horizontal axis indicates the thickness of the upper SCH layer. The left end of the horizontal axis corresponds to a structure in which the upper SCH layer is 0 nm and the lower SCH thickness is maximum, and the right end of the horizontal axis corresponds to a structure in which the upper SCH layer is maximum and the lower SCH layer is 0 nm. The center of the horizontal axis of each graph corresponds to the case where the SCH layer is vertically symmetrical.

図9および図10より、光閉じ込め係数を最大とする構成は、いずれの構造においても上部SCH層の厚さが下部SCH層よりも厚い場合であることは明らかである。コア層の厚さが250nmと薄い場合(図9、図10の(a)の場合)、上部のInP厚が100nm以下の場合は光閉じ込め係数が大幅に低下する。したがって、光閉じ込めを確保するために、コア層の厚さおよびその上部InPクラッド層の厚さの和は、少なくとも350nm以上であることが望ましい。   From FIG. 9 and FIG. 10, it is clear that the configuration that maximizes the optical confinement factor is the case where the thickness of the upper SCH layer is thicker than that of the lower SCH layer in any structure. When the thickness of the core layer is as thin as 250 nm (in the case of FIGS. 9 and 10A), the optical confinement factor is significantly reduced when the upper InP thickness is 100 nm or less. Therefore, in order to ensure optical confinement, the sum of the thickness of the core layer and the thickness of the upper InP cladding layer is preferably at least 350 nm or more.

また、コア層の厚さが350nm、450nmの場合(図9、図10の(b)、(c)の場合)でわかるように、コア層の厚さおよび上部クラッド層の厚さの和がおおよそ550nm以上になると、光閉じ込め係数の最大値が低下を始める。したがって、InGaAsP材料からなる量子井戸構造またはバルク構造とする構成においては、コア層の厚さと上部クラッド層の厚さを350nmから550nmの範囲にして、上部SCH層の厚さを下部SCH層よりも厚くするのが好ましい。上部SCH層および下部SCH層の厚さの比は6:4以上であって、上部SCH層の方が厚い場合に効果が得られる。   Further, as can be seen in the case where the thickness of the core layer is 350 nm and 450 nm (in the case of FIGS. 9 and 10 (b) and (c)), the sum of the thickness of the core layer and the thickness of the upper cladding layer is When it becomes approximately 550 nm or more, the maximum value of the optical confinement coefficient starts to decrease. Therefore, in the configuration of the quantum well structure or the bulk structure made of InGaAsP material, the thickness of the core layer and the thickness of the upper cladding layer are set in the range of 350 nm to 550 nm, and the thickness of the upper SCH layer is set to be larger than that of the lower SCH layer. It is preferable to increase the thickness. The ratio of the thickness of the upper SCH layer and the lower SCH layer is 6: 4 or more, and the effect is obtained when the upper SCH layer is thicker.

上述の各実施例においては、活性層にInGaAsP材料を用いたが、InAlGaAs材料など、その他の光半導体材料系が適用可能であることは言うまでもない。また、上述の実施例では、活性層の上方に形成された回折格子によって発振動作を実現する分布帰還型半導体レーザを例として説明をしたが、ファブリペローレーザや分布ブラッグ反射型レーザ等の他の形態の発振器を用いた半導体レーザにおいても、適用可能である。回折格子の形状については、上部のInPをエッチングしてInPおよび空気の層により得られる構成としたが、上部にSiNやSiO等の保護膜を形成してInPおよび保護膜からなる回折格子を形成しても良い。また、InPの上にSiNやSiOの回折格子を形成しても同様の効果が得られる。 In each of the embodiments described above, an InGaAsP material is used for the active layer, but it goes without saying that other optical semiconductor material systems such as an InAlGaAs material can be applied. In the above-described embodiment, the distributed feedback semiconductor laser that realizes the oscillation operation by the diffraction grating formed above the active layer has been described as an example. However, other examples such as a Fabry-Perot laser and a distributed Bragg reflection laser have been described. The present invention can also be applied to a semiconductor laser using an oscillator having a configuration. Regarding the shape of the diffraction grating, the upper InP was etched to obtain an InP and air layer, but a protective film such as SiN or SiO 2 was formed on the upper part to form a diffraction grating made of InP and a protective film. It may be formed. The same effect can be obtained by forming a diffraction grating of SiN or SiO 2 on InP.

また、上述の各実施例においては本発明の半導体光素子の構造を半導体レーザに適用したが、導波路構造における光閉じ込めの改善が得られることから、活性層に逆バイアスを印加することで電界吸収変調器を実現しても、電界吸収特性などにおいて、同様の特性の向上が得られることは明らかである。   In each of the above-described embodiments, the structure of the semiconductor optical device of the present invention is applied to a semiconductor laser. However, since optical confinement in the waveguide structure can be improved, an electric field can be applied by applying a reverse bias to the active layer. Obviously, even if an absorption modulator is realized, the same improvement in the characteristics of electroabsorption can be obtained.

以上述べたように、本発明の半導体光素子の構成によって、活性層の幅を狭くした場合においても、効率が高くかつ高速動作可能な半導体レーザを実現することができる。   As described above, with the configuration of the semiconductor optical device of the present invention, it is possible to realize a semiconductor laser capable of high efficiency and high speed operation even when the width of the active layer is narrowed.

本発明は、一般的に通信システムに利用することができる。特に、光通信システムの光送信器に利用することができる。   The present invention is generally applicable to communication systems. In particular, it can be used for an optical transmitter of an optical communication system.

1、100 導波路構造
2、102 基板
3、103 下部SCH層
4、104 活性層
5、105 上部SCH層
6、106 InP層
7、8、107、108 埋め込みInP層
9a、9b、109a、109b コンタクト層
10a、10b、110a、110b 電極
11 回折格子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,100 Waveguide structure 2,102 Substrate 3,103 Lower SCH layer 4,104 Active layer 5,105 Upper SCH layer 6,106 InP layer 7,8,107,108 Embedded InP layer
9a, 9b, 109a, 109b Contact layer 10a, 10b, 110a, 110b Electrode 11 Diffraction grating

Claims (9)

半導体基板と、前記半導体基板の上に形成された活性層と、前記活性層の両側に埋込み層とを備えた導波路構造が形成され、
前記埋込み層の一方に第1のタイプの不純物ドーピングが施され、前記埋込み層の他方に第2のタイプの不純物ドーピングが施され、前記一方の埋め込み層および前記他方の埋め込み層の間で、前記活性層に横方向に電流注入を行う構造が形成されている半導体光素子において、前記導波路構造は、
前記活性層の前記基板側に、前記活性層に接して形成され、第1の厚さを持つ下部光キャリア分離閉じ込め層と、
前記活性層を挟み、前記下部光キャリア分離閉じ込め層に対向して、前記活性層に接して形成され、前記第1の厚さよりも大きい第2の厚さを持つ上部光キャリア分離閉じ込め層と
を備えたことを特徴とする半導体光素子。
A waveguide structure comprising a semiconductor substrate, an active layer formed on the semiconductor substrate, and buried layers on both sides of the active layer is formed,
A first type of impurity doping is performed on one of the buried layers, a second type of impurity doping is performed on the other of the buried layers, and between the one buried layer and the other buried layer, In a semiconductor optical device in which a structure for injecting current in a lateral direction is formed in an active layer, the waveguide structure is:
A lower optical carrier isolation and confinement layer formed on and in contact with the active layer on the substrate side of the active layer and having a first thickness;
An upper optical carrier isolation and confinement layer having a second thickness larger than the first thickness, which is formed in contact with the active layer so as to face the lower optical carrier isolation and confinement layer with the active layer interposed therebetween. A semiconductor optical device comprising the semiconductor optical device.
前記上部光キャリア分離閉じ込め層上に、クラッド層をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の半導体光素子。   The semiconductor optical device according to claim 1, further comprising a cladding layer on the upper optical carrier separation confinement layer. 前記活性層の光閉じ込めが最大となるように前記第1の厚さおよび前記第2の厚さが設定されたことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体光素子。   3. The semiconductor optical device according to claim 1, wherein the first thickness and the second thickness are set so that optical confinement of the active layer is maximized. 前記半導体基板は半絶縁性InP基板であって、前記活性層および前記光キャリア分離閉じ込め層は、それぞれInGaAsPまたはInGaAlAsからなり、前記埋込み層はInPからなり、前記第1のタイプはp型の不純物ドーピングに対応し、前記第2のタイプはn型の不純物ドーピングに対応することを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載の半導体光素子。   The semiconductor substrate is a semi-insulating InP substrate, the active layer and the optical carrier separation and confinement layer are each made of InGaAsP or InGaAlAs, the buried layer is made of InP, and the first type is a p-type impurity. 4. The semiconductor optical device according to claim 1, wherein the semiconductor optical device corresponds to doping, and the second type corresponds to n-type impurity doping. 5. 前記上部クラッド層は、InPからなることを特徴とする請求項2乃至4いずれかに記載の半導体光素子   5. The semiconductor optical device according to claim 2, wherein the upper cladding layer is made of InP. 前記活性層、前記光キャリア分離閉じ込め層および前記上部クラッド層の各厚さの和が、350nmから550nmの間にあることを特徴とする請求項1乃至5いずれかに記載の半導体光素子。   6. The semiconductor optical device according to claim 1, wherein the sum of the thicknesses of the active layer, the optical carrier separation confinement layer, and the upper cladding layer is between 350 nm and 550 nm. 前記上部光キャリア分離閉じ込め層と下部光キャリア分離閉じ込め層の厚さの比が6:4以上であって、前記上部光キャリア分離閉じ込め層がより厚いことを特徴とする請求項1乃至6いずれかに記載の半導体光素子。   7. The thickness ratio of the upper optical carrier separation confinement layer and the lower optical carrier separation confinement layer is 6: 4 or more, and the upper optical carrier separation confinement layer is thicker. The semiconductor optical device described in 1. 請求項1乃至7いずれかに記載の半導体光素子の前記導波路構造を持つことを特徴とする半導体レーザ。   A semiconductor laser having the waveguide structure of the semiconductor optical device according to claim 1. 請求項1乃至8いずれかに記載の半導体光素子の前記導波路構造を持ち、前記活性層の上方に形成された表面回折格子を備えたことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。   9. A distributed feedback semiconductor laser having the waveguide structure of the semiconductor optical device according to claim 1, further comprising a surface diffraction grating formed above the active layer.
JP2014102588A 2014-05-16 2014-05-16 Semiconductor optical device Pending JP2015220323A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014102588A JP2015220323A (en) 2014-05-16 2014-05-16 Semiconductor optical device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014102588A JP2015220323A (en) 2014-05-16 2014-05-16 Semiconductor optical device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2015220323A true JP2015220323A (en) 2015-12-07

Family

ID=54779474

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014102588A Pending JP2015220323A (en) 2014-05-16 2014-05-16 Semiconductor optical device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2015220323A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018006440A (en) * 2016-06-29 2018-01-11 日本電信電話株式会社 Semiconductor laser
JP2018006590A (en) * 2016-07-04 2018-01-11 日本電信電話株式会社 Optical semiconductor element
JP2019054107A (en) * 2017-09-14 2019-04-04 日本電信電話株式会社 Semiconductor optical element
JP2019079993A (en) * 2017-10-26 2019-05-23 日本電信電話株式会社 Semiconductor optical element
JP2019096730A (en) * 2017-11-22 2019-06-20 日本電信電話株式会社 Semiconductor optical element

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0252483A (en) * 1988-08-17 1990-02-22 Mitsubishi Electric Corp Semiconductor laser device and manufacture thereof
JPH02237190A (en) * 1989-03-10 1990-09-19 Mitsubishi Electric Corp Semiconductor laser
JPH06232498A (en) * 1993-02-04 1994-08-19 Sumitomo Electric Ind Ltd Distribution feedback type semiconductor laser
WO1995015022A1 (en) * 1993-11-24 1995-06-01 The Furukawa Electric Co., Ltd. Semiconductor optical element
JPH07202328A (en) * 1993-11-26 1995-08-04 Nec Corp Semiconductor laser device
JP2004140083A (en) * 2002-10-16 2004-05-13 Sharp Corp Semiconductor light emitting element
US20070002914A1 (en) * 2005-06-27 2007-01-04 Samsung Electronics Co., Ltd. Semiconductor laser diode having an asymmetric optical waveguide layer
JP2009094360A (en) * 2007-10-10 2009-04-30 Rohm Co Ltd Semiconductor laser diode
JP2012028395A (en) * 2010-07-20 2012-02-09 Sumitomo Electric Ind Ltd Semiconductor laser element
US20120201262A1 (en) * 2009-08-28 2012-08-09 Marc Schillgalies Edge-Emitting Semiconductor Laser

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0252483A (en) * 1988-08-17 1990-02-22 Mitsubishi Electric Corp Semiconductor laser device and manufacture thereof
JPH02237190A (en) * 1989-03-10 1990-09-19 Mitsubishi Electric Corp Semiconductor laser
JPH06232498A (en) * 1993-02-04 1994-08-19 Sumitomo Electric Ind Ltd Distribution feedback type semiconductor laser
WO1995015022A1 (en) * 1993-11-24 1995-06-01 The Furukawa Electric Co., Ltd. Semiconductor optical element
JPH07202328A (en) * 1993-11-26 1995-08-04 Nec Corp Semiconductor laser device
JP2004140083A (en) * 2002-10-16 2004-05-13 Sharp Corp Semiconductor light emitting element
US20070002914A1 (en) * 2005-06-27 2007-01-04 Samsung Electronics Co., Ltd. Semiconductor laser diode having an asymmetric optical waveguide layer
JP2009094360A (en) * 2007-10-10 2009-04-30 Rohm Co Ltd Semiconductor laser diode
US20120201262A1 (en) * 2009-08-28 2012-08-09 Marc Schillgalies Edge-Emitting Semiconductor Laser
JP2012028395A (en) * 2010-07-20 2012-02-09 Sumitomo Electric Ind Ltd Semiconductor laser element

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TAKAHIKO SHINDO, ET AL.: ""Design of Lateral-Current-Injection-Type Membrane Distributed-Feedback Lasers for On-Chip Optical", IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, vol. 19, no. 4, JPN6017018005, July 2013 (2013-07-01), pages 1502009, XP011508661, ISSN: 0003676211, DOI: 10.1109/JSTQE.2013.2244573 *
TAKAHIKO SHINDO, ET AL.: ""GaInAsP/InP lateral-current-injection distributed feedback laser with a-Si surface grating"", OPTICS EXPRESS, vol. 19, no. 3, JPN6017018002, 18 January 2011 (2011-01-18), pages 1884 - 1891, ISSN: 0003560323 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018006440A (en) * 2016-06-29 2018-01-11 日本電信電話株式会社 Semiconductor laser
JP2018006590A (en) * 2016-07-04 2018-01-11 日本電信電話株式会社 Optical semiconductor element
JP2019054107A (en) * 2017-09-14 2019-04-04 日本電信電話株式会社 Semiconductor optical element
JP6996183B2 (en) 2017-09-14 2022-01-17 日本電信電話株式会社 Semiconductor optical device
JP2019079993A (en) * 2017-10-26 2019-05-23 日本電信電話株式会社 Semiconductor optical element
JP2019096730A (en) * 2017-11-22 2019-06-20 日本電信電話株式会社 Semiconductor optical element
JP7147152B2 (en) 2017-11-22 2022-10-05 日本電信電話株式会社 semiconductor optical device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6267584B2 (en) Semiconductor optical device
JP6315600B2 (en) Semiconductor optical device
US6928223B2 (en) Stab-coupled optical waveguide laser and amplifier
US9966734B2 (en) High speed semiconductor laser with a beam expanding structure
JP6209129B2 (en) Semiconductor optical device
JP5916414B2 (en) Optical semiconductor device
JP2004179274A (en) Optical semiconductor device
JP2015220323A (en) Semiconductor optical device
JP2010232424A (en) Semiconductor optical amplifier, and optical module
JP2019054107A (en) Semiconductor optical element
JP2002134842A (en) Semiconductor laser
US11705693B2 (en) Semiconductor optical element
KR20140130936A (en) Ridge waveguide semiconductor laser diode and method for manufacturing the same
US10305251B2 (en) Laser diodes with layer of graphene
JP2019008179A (en) Semiconductor optical element
JP3745985B2 (en) Complex coupled type distributed feedback semiconductor laser device
US9819153B2 (en) Optical semiconductor device and manufacturing method thereof
US6996149B2 (en) Semiconductor laser device and semiconductor laser module
KR100566187B1 (en) Gain clamped semiconductor optical amplifier with lateral lasing and method for manufacturing the same
JP4948469B2 (en) Semiconductor optical device
JP4953392B2 (en) Optical semiconductor device
JP4155997B2 (en) Semiconductor laser device
JP5057477B2 (en) Semiconductor laser element
JP5163355B2 (en) Semiconductor laser device
JP2019102585A (en) Optical device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160914

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170523

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20170524

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170724

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170808

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20171107