JP2019087587A - 半導体発光素子及び光デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
本実施形態では、半導体発光素子である分布帰還形(Distributed Feedback:DFB)の半導体レーザ(Laser Diode:LD)(以下、DFB−LDとする。)を開示する。図1は、第1の実施形態によるDFB−LDの構成を示す概略断面図である。
このDFB−LDは、GaAs等の基板1上に光導波路2が設けられ、光導波路2の両端面に反射鏡3が設けられ、上下に一対の電極(不図示)が設けられている。
光導波路2は、いわゆるリッジ型の光導波路であり、例えばAlGaAsの下部クラッド層11とその上方の例えばGaInPの上部クラッド層13との間に例えばInGaAsやInAs等の量子ドットを有する活性層12が挟持されている。上部クラッド層13内には、活性層12の上方に、単一波長の光を出射させるための回折格子4が設けられている。
光出射側の前端面の光反射率が無反射(AR)である場合と比べて、光反射率R2を例えば7%程度まで増大させると、結合レートκは1/10程度に小さくなる。光反射率R2が1%を下回ると、結合レートκを十分に小さくすることが困難となる。光反射率R2が10%を上回ると、量子ドットを有する活性層の利得ピーク波長にてFabry-Perot(FP)モードで発振し易くなり、DFB−LDの単一モードの動作が阻害される懸念がある。本実施形態では、低光反射率膜14の光反射率R2を1%以上10%以下の範囲内の値とする。これにより、DFB−LDの単一モードの動作を確保すると共に、反射戻り光耐性の十分な向上を達成することができる。
以下、本実施形態によるDFB−LDの製造方法について説明する。図5〜図6は、第1の実施形態によるDFB−LDの製造方法について、工程順に示す概略断面図である。
続いて、図5(b)に示すように、下部クラッド層11を形成する。
詳細には、例えば分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法により、基板1上に例えばAlGaAsを成長する。MBE法の代わりに、有機金属気相成長(MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法を用いても良い。以上により、基板1上に下部クラッド層11が形成される。
詳細には、引き続きMBE法により、下部クラッド層11上に並ぶ例えばInGaAsの量子ドット及び量子ドットを覆うGaAsからなる層を、例えば8層積層する。量子ドットの材料としては、InGaAsの代わりに例えばInAs等を用いても良い。以上により、下部クラッド層11上に活性層12が形成される。活性層12には、例えばp型不純物をドープし、高温時の光出力特性を向上させるようにしても好適である。
詳細には、引き続きMBE法により、活性層12上にGaInPを成長する。これにより、活性層12上にGaInP層13a,4aが形成される。
詳細には、リソグラフィー及びエッチングによりGaInP層4aを加工する。これにより、GaInP層13a上に回折格子4が形成される。
詳細には、引き続きMBE法により、回折格子4を埋め込むようにGaInPを成長する。これにより、回折格子4上にGaInP層13bが形成される。GaInP層13a,13bを有して、上部クラッド層13が構成される。
詳細には、先ず、リソグラフィー及びエッチングにより上部クラッド層13をリッジ形状に加工する。下部クラッド層11、活性層12、及び加工された上部クラッド層13を有して、リッジ型の光導波路2が構成される。
次に、光導波路2の光出射側である一端(前端面)に低光反射率膜14を、光導波路2の他端(後端面)に低光反射率膜14よりも光反射率の高い高光反射率膜15をそれぞれ形成する。具体的には、低光反射率膜14については、スパッタ法又は蒸着法により、例えばAl2O3及びTiO2を用いて、1%程度以上10%程度以下の所期の光反射率となるように、膜厚及び積層数を適宜調節して形成する。
以上により、低光反射率膜14及び高光反射率膜15を有する反射鏡3が構成される。
このようにして、本実施形態によるDFB−LDが形成される。
以下、第1の実施形態によるDFB−LDの具体的な諸実施例について説明する。
本実施例では、前端面の低光反射率膜14は光反射率が7.5%程度であり、後端面の高光反射率膜15は光反射率が95%程度である。低光反射率膜14については、膜厚220nm程度のAl2O3及び膜厚250nm程度のTiO2からなる2層を2組積層する。これにより、光反射率が7.5%程度に調節される。高光反射率膜15については、膜厚86nm程度のSi及び膜厚225nm程度のAl2O3からなる2層を2組積層する。これにより、光反射率が95%程度に調節される。
以上より、本実施例によれば、DFB−LDの反射戻り光耐性を向上させ、且つ単一モード動作の歩留まりを向上させることができる。
本実施例では、前端面の低光反射率膜14は光反射率が1%程度であり、後端面の高光反射率膜15は光反射率が90%程度である。ここで、高光反射率膜15には波長依存性を持たせることとし、量子ドットの利得ピーク波長の近傍、例えば1280nm程度における光反射率が10%以下、例えば8.8%程度となるように設定する。低光反射率膜14については、膜厚120nm程度のAl2O3及び膜厚110nm程度のTiO2からなる2層を1組積層する。これにより、光反射率が1%程度に調節される。高光反射率膜15については、膜厚109nm程度のSi及び膜厚251nm程度のAl2O3からなる2層を5組積層する。これにより、室温において、光反射率(DFB波長が1310nm程度における光反射率)が90%程度であると共に、量子ドットの利得ピーク波長の近傍(1280nm程度)における光反射率が8.8%程度に調節される。その他のパラメータは実施例1と同様である。
後端面の高光反射率膜15の光反射率は、活性層12の利得ピーク波長1280nm程度で8.8%程度である。そのため、図7(b)に示すように、前端面の低光反射率膜14の光反射率1%を考慮すると、1280nm程度におけるFPモードの発振しきい値利得は73cm-1程度まで増大することになる。これにより、利得ピーク波長が1280nm程度におけるFPモードは抑制される。
以上より、本実施例によれば、DFB−LDの反射戻り光耐性を向上させ、且つ単一モード動作の歩留まりを向上させることができる。
本実施例では、前端面の低光反射率膜14は光反射率が10%程度であり、後端面の高光反射率膜15は光反射率が90%程度である。低光反射率膜14の光反射率を10%程度とすることにより、前端面にAR膜が形成された場合と比べると、活性層12への反射戻り光の結合レートが10%程度に低減され、反射戻り光耐性は向上する。ここで、高光反射率膜15には波長依存性を持たせることとし、活性層12の利得ピーク波長の近傍(1280nm程度)における高光反射率膜15の光反射率が8.8%程度となるように設定する。
以上より、本実施例によれば、DFB−LDの反射戻り光耐性を向上させ、且つ単一モード動作の歩留まりを向上させることができる。
本実施形態では、光デバイスである光送受信装置を開示する。図9は、第2の実施形態による光送受信装置の概略構成を示すブロック図である。なお、第1の実施形態によるDFB−LDと同じ構成部材等については、図1と同符号を付して詳しい説明を省略する。
第1光導波路34は、DFB−LD31との間で所期のギャップGを形成して対向配置されており、DFB−LD31と対向する先端面34bにおける光モード形状(ここでは、光の強度分布、そのサイズ及び形状)が、DFB−LD31の出射光の光モード形状と略一致している。具体的に、第1光導波路34は、等幅のライン状(例えば、幅350nm程度、高さ200nm程度)に形成されているところ、先端部34aが先端面34bに向かうほど徐々に幅狭となるテーパ形状とされており、先端面34bの幅が例えば170nm程度とされている。先端面34bにおいて、光モード形状が例えば2μm径程度まで拡張され、DFB−LD31の出射光と同程度の光モード形状となる。このように、第1光導波路34の先端面34bにおける光モード形状をDFB−LD31の出射光の光モード形状と略一致するように調節することにより、DFB−LD31と第1光導波路34との光モードのミスマッチが可及的に小さくなる。これにより、当該ミスマッチに起因する光反射が低減する。
回折格子と、
前記活性層の光出射側である一端に設けられた低光反射率膜と、
前記活性層の他端に設けられた、前記低光反射率膜よりも光反射率の高い高光反射率膜と
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
前記半導体発光素子の出射光を変調する光変調器と、
前記光変調器から光を出射するための出射部と
を備えており、
前記半導体発光素子は、
量子ドットを有する活性層と、
回折格子と、
前記活性層の光出射側である一端に設けられた低光反射率膜と、
前記活性層の他端に設けられた、前記低光反射率膜よりも光反射率の高い高光反射率膜と
を備えたことを特徴とする光デバイス。
前記受光器に光を入射するための入射部と
を更に備えたことを特徴とする付記5に記載の光デバイス。
前記光導波路は、前記半導体発光素子と対向する先端面における光モード形状が前記半導体発光素子の光モード形状と一致することを特徴とする付記5〜9のいずれか1項に記載の光デバイス。
2 光導波路
3 反射鏡
4 回折格子
4a,13a,13b, GaInP層
11 下部クラッド層
12 活性層
13 上部クラッド層
14 低光反射率膜
15 高光反射率膜
21 光送信部
22 光受信部
31 DFB−LD
32 光変調器
33 第1グレーティングカプラ
34 第1光導波路
34a 先端部
34b 先端面
35 第2光導波路
36 第1光ファイバ
37 受光器
38 第2グレーティングカプラ
39 第3光導波路
41 第2光ファイバ
42 屈折率整合材
Claims (11)
- 量子ドットを有する活性層と、
回折格子と、
前記活性層の光出射側である一端に設けられた低光反射率膜と、
前記活性層の他端に設けられた、前記低光反射率膜よりも光反射率の高い高光反射率膜と
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記低光反射率膜は、光反射率が1%以上10%以下の範囲内の値であることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記高光反射率膜は、光反射率が80%以上の範囲内の値であることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体発光素子。
- 前記高光反射率膜は、光反射率が、前記活性層の利得ピーク波長において50%以下の範囲内の値であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体発光素子。
- 半導体発光素子と、
前記半導体発光素子の出射光を変調する光変調器と、
前記光変調器から光を出射するための出射部と
を備えており、
前記半導体発光素子は、
量子ドットを有する活性層と、
回折格子と、
前記活性層の光出射側である一端に設けられた低光反射率膜と、
前記活性層の他端に設けられた、前記低光反射率膜よりも光反射率の高い高光反射率膜と
を備えたことを特徴とする光デバイス。 - 受光器と、
前記受光器に光を入射するための入射部と
を備えたことを特徴とする請求項5に記載の光デバイス。 - 前記低光反射率膜は、光反射率が1%以上10%以下の範囲内の値であることを特徴とする請求項5又は6に記載の光デバイス。
- 前記高光反射率膜は、光反射率が80%以上の範囲内の値であることを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載の光デバイス。
- 前記高光反射率膜は、光反射率が、前記活性層の利得ピーク波長において50%以下の範囲内の値であることを特徴とする請求項5〜8のいずれか1項に記載の光デバイス。
- 前記半導体発光素子と前記光変調器を光接続する光導波路を備えており、
前記光導波路は、前記半導体発光素子と対向する先端面における光モード形状が前記半導体発光素子の光モード形状と一致することを特徴とする請求項5〜9のいずれか1項に記載の光デバイス。 - 前記半導体発光素子と前記光導波路との間に形成された間隙を充填する屈折率整合材を備えたことを特徴とする請求項10に記載の光デバイス。
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