JP5662494B2 - Photonic crystal device - Google Patents

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Description

本発明は、フォトニック結晶が共振器に用いられるレーザ発振素子等のデバイスに関する。   The present invention relates to a device such as a laser oscillation element in which a photonic crystal is used for a resonator.

近年、消費電力の少ないフォトニック結晶レーザをCMOSチップ上に集積し、チップ上での光通信を実現することでCMOSチップ全体の消費電力を削減する試みが進められている。フォトニック結晶レーザでは、光を閉じ込めることができるフォトニック結晶技術と、化合物半導体による光の利得とを組み合わせることにより、レーザ発振が行われている。   In recent years, attempts have been made to reduce the power consumption of the entire CMOS chip by integrating a photonic crystal laser with low power consumption on a CMOS chip and realizing optical communication on the chip. In a photonic crystal laser, laser oscillation is performed by combining a photonic crystal technique capable of confining light and a gain of light by a compound semiconductor.

レーザ発振のためには、素子に対してエネルギーを与えてレーザ駆動を行う必要がある。一般に、半導体レーザでは、光と電流とによってエネルギーを与えられることが知られているが、チップ上に集積されたレーザは、電子回路によって駆動するため、電流によって駆動するレーザが求められている。従来、電流駆動によって実現する様々なフォトニック結晶レーザが報告されている。例えば非特許文献1〜3では、共振器からウエハ面内に向かう方向に台形状のp型およびn型ドーピング領域が形成され、これらのドーピング領域の構成により形成されたpn接合が共振器で形成されている。そして、非特許文献1〜3のフォトニック結晶レーザは、pn接合に対して電流を注入することにより電子と正孔との対を生成し、レーザ発振するようになっている。   For laser oscillation, it is necessary to drive the laser by applying energy to the element. In general, it is known that energy is given by light and current in a semiconductor laser. However, since a laser integrated on a chip is driven by an electronic circuit, a laser driven by current is required. Conventionally, various photonic crystal lasers realized by current driving have been reported. For example, in Non-Patent Documents 1 to 3, trapezoidal p-type and n-type doping regions are formed in a direction from the resonator toward the wafer surface, and a pn junction formed by the configuration of these doping regions is formed by the resonator. Has been. The photonic crystal lasers of Non-Patent Documents 1 to 3 generate a pair of electrons and holes by injecting a current into the pn junction, and oscillate.

C. M. Long et al., Lateral current injection photonic crystal membrane light emitting diodes, J. Vac. Sci. Technol.B, Vol. 28, No. 2, pp. 359 -364, 2010年C. M. Long et al., Lateral current injection photonic crystal membrane light emitting diodes, J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 28, No. 2, pp. 359 -364, 2010 B. Ellis et al., Ultralow-threshold electrically pumped quantum dot photonic-crystal nanocavity laser, Nature Photonics, Vol. 5, pp. 297 -300, 2011年B. Ellis et al., Ultralow-threshold electrically pumped quantum dot photonic-crystal nanocavity laser, Nature Photonics, Vol. 5, pp. 297 -300, 2011 S. Matsuo et al., Room-temperature continuous-wave operation of lateral current injection wavelength-scale embedded active-region photonic-crystal laser, Optics Express, Vol. 20, pp. 3773 -3780, 2012S. Matsuo et al., Room-temperature continuous-wave operation of lateral current injection wavelength-scale embedded active-region photonic-crystal laser, Optics Express, Vol. 20, pp. 3773 -3780, 2012

従来のフォトニック結晶レーザでは、特に、高バイアス状態において活性層の外側を流れるリーク電流が存在する。このリーク電流は、しきい値の付近である低バイアスの条件下では少ないものの、高バイアスの条件下では多くなるという不都合があった。   In the conventional photonic crystal laser, there is a leakage current that flows outside the active layer particularly in a high bias state. This leakage current is disadvantageous in that it is small under a low bias condition near the threshold value but increases under a high bias condition.

オンチップ光通信等、光通信の実現のためには、電流の漏れ成分を抑制し、活性層に対して電流を効率よく流す必要があった。   In order to realize optical communication such as on-chip optical communication, it is necessary to suppress a leakage component of current and to flow current efficiently to the active layer.

本発明は、上記の状況においてなされたものであり、電流の漏れ成分を抑制し、レーザ駆動の効率を向上させることができるフォトニック結晶デバイスを提供することを目的とする。   The present invention has been made in the above situation, and an object thereof is to provide a photonic crystal device that can suppress a leakage component of current and improve the efficiency of laser driving.

上記の目的を達成するためのフォトニック結晶デバイスは、半導体スラブに空気穴が規則的に配列されているフォトニック結晶と、前記フォトニック結晶内の一部に形成されている線欠陥導波路と、前記線欠陥導波路内の一部に形成されている活性層と、前記活性層に対して前記線欠陥導波路の延在方向と異なる方向の面方向にバイアスを印加するための電極構造と、前記線欠陥導波路内であって、その幅が前記線欠陥導波路に収まる範囲内となるよう、前記活性層の両側領域に形成されている溝構造とを含む。 A photonic crystal device for achieving the above object includes a photonic crystal in which air holes are regularly arranged in a semiconductor slab, and a line defect waveguide formed in a part of the photonic crystal. An active layer formed in a part of the line defect waveguide; and an electrode structure for applying a bias to the active layer in a plane direction different from the extending direction of the line defect waveguide ; And a groove structure formed in both side regions of the active layer so as to be within the range of the line defect waveguide and the width of the line defect waveguide .

前記溝構造の深さ、幅、または長さは、異なるように形成してもよい。例えば、スラブを貫通したりスラブの中心まで溝を掘る構造が考えられる。前記溝構造の幅は前記線欠陥導波路より広くてもよいし、狭くてもよい。前記溝構造の長さは、前記溝構造と前記活性層との間の隙間が、0からフォトニック結晶格子定数の数倍の値までの範囲内で変更してもよい。   The depth, width, or length of the groove structure may be different. For example, a structure that penetrates the slab or digs a groove to the center of the slab is conceivable. The width of the groove structure may be wider or narrower than the line defect waveguide. The length of the groove structure may be changed so that the gap between the groove structure and the active layer ranges from 0 to a value several times the photonic crystal lattice constant.

本発明によれば、電流の漏れ成分を抑制し、レーザ駆動の効率を向上させることができる。   According to the present invention, the leakage component of current can be suppressed and the efficiency of laser driving can be improved.

従来のフォトニック結晶デバイスの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional photonic crystal device. 従来のフォトニック結晶デバイスにおいて、バイアス電圧が3Vの場合における電子と正孔との濃度分布を説明するための図である。In the conventional photonic crystal device, it is a figure for demonstrating the density distribution of an electron and a hole in case a bias voltage is 3V. 第1実施形態のフォトニック結晶デバイスの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the photonic crystal device of 1st Embodiment. 第1実施形態のフォトニック結晶デバイスにおいて、バイアス電圧が3Vの場合における電子と正孔との濃度分布を説明するための図である。In the photonic crystal device of 1st Embodiment, it is a figure for demonstrating the density distribution of an electron and a hole in case a bias voltage is 3V. 第1実施形態における光のモード分布を従来例のモード分布と比較して説明するための図である。It is a figure for comparing the mode distribution of light in a 1st embodiment with the mode distribution of a conventional example. 第1実施形態における溝部のフォトニックバンド構造を従来例の導波路構造と比較して説明するための図である。It is a figure for demonstrating the photonic band structure of the groove part in 1st Embodiment compared with the waveguide structure of a prior art example. 第1実施形態における溝部において、溝の幅とQ値との関係の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the relationship between the width | variety of a groove | channel, and Q value in the groove part in 1st Embodiment. 第1実施形態のフォトニック結晶デバイスの作製方法を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the manufacturing method of the photonic crystal device of 1st Embodiment. 第1実施形態のフォトニック結晶デバイスにおいて、注入電流と出力パワーとの関係の一例を示す図である。In the photonic crystal device of a 1st embodiment, it is a figure showing an example of relation between injection current and output power. 第2実施形態のフォトニック結晶デバイスの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the photonic crystal device of 2nd Embodiment. 第3実施形態のフォトニック結晶デバイスの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the photonic crystal device of 3rd Embodiment.

以下、本発明の複数の実施形態について説明する。各実施形態に係るフォトニック結晶デバイスは、屈折率の異なる媒質である空気および半導体材料が規則的に配列されたフォトニック結晶を含んで構成され、フォトニック結晶を利用して光を出力するための半導体レーザである。   Hereinafter, a plurality of embodiments of the present invention will be described. The photonic crystal device according to each embodiment includes a photonic crystal in which air and semiconductor materials, which are media having different refractive indexes, are regularly arranged, and outputs light using the photonic crystal. This is a semiconductor laser.

<従来例>
先ず、従来のフォトニック結晶デバイス100の構成について、図1を参照して説明する。図1は、従来例のフォトニック結晶デバイス100の構成例を示す斜視図である。
<Conventional example>
First, the configuration of a conventional photonic crystal device 100 will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a perspective view showing a configuration example of a conventional photonic crystal device 100.

図1に示すように、従来のフォトニック結晶デバイス100は、全体としてInP基板101上に形成されており、基板101の上には、犠牲層102および埋め込み成長層103が順に形成されている。   As shown in FIG. 1, a conventional photonic crystal device 100 is formed on an InP substrate 101 as a whole, and a sacrificial layer 102 and a buried growth layer 103 are sequentially formed on the substrate 101.

犠牲層102は、エアギャップ構造201を有する構成となっている。   The sacrificial layer 102 has an air gap structure 201.

埋め込み成長層103には、xz平面において複数の空気穴を有する2次元フォトニック結晶スラブが構成されており、このフォトニック結晶内には、InP薄膜中に埋め込まれた活性層106が形成されている。なお、図1において、y方向は、xz平面の法線方向を表してある。   The buried growth layer 103 includes a two-dimensional photonic crystal slab having a plurality of air holes in the xz plane, and an active layer 106 embedded in an InP thin film is formed in the photonic crystal. Yes. In FIG. 1, the y direction represents the normal direction of the xz plane.

n型領域R1は、埋め込み成長層103にIV族ないしVI族元素をドーピングすることによって形成され、p型領域R2は、埋め込み成長層103にII族ないしIV族元素をドーピングすることによって形成される。領域R1および領域R2はそれぞれ、n型電極104およびp型電極105から電子と正孔を注入可能な構造となっている。   The n-type region R1 is formed by doping the embedded growth layer 103 with a group IV or group VI element, and the p-type region R2 is formed by doping the buried growth layer 103 with a group II or group IV element. . The region R1 and the region R2 have a structure in which electrons and holes can be injected from the n-type electrode 104 and the p-type electrode 105, respectively.

欠陥領域107は、例えばz軸方向に沿って線状に欠陥が形成され、光を通過する光導波路として形成されている。この欠陥領域15内には、上述した活性層106が形成されている。   For example, the defect region 107 is formed as an optical waveguide in which defects are formed linearly along the z-axis direction and light passes therethrough. In the defect region 15, the above-described active layer 106 is formed.

フォトニック結晶デバイス100では、共振器の外側に流れるリーク電流(図1の紙面上左右の方向に破線の矢印で示す。)を表してある。   In the photonic crystal device 100, a leakage current (indicated by broken arrows in the left and right directions in FIG. 1) flowing outside the resonator is shown.

図2は、フォトニック結晶デバイス100において、バイアス電圧が3Vの場合における電子と正孔との濃度分布を説明するための図であって、(a)は電子濃度の分布、(b)は正孔濃度の分布を示す。   2A and 2B are diagrams for explaining the concentration distribution of electrons and holes when the bias voltage is 3 V in the photonic crystal device 100, where FIG. 2A is an electron concentration distribution, and FIG. The distribution of pore concentration is shown.

図2(a)および図2(b)では、濃度が高くなるにつれ、それに応じた濃度を示すための濃淡レベルを「0」〜「2」の間で表示した例が示してある。   2 (a) and 2 (b) show an example in which the density level for indicating the density corresponding to the density is displayed between “0” and “2” as the density becomes higher.

図2(a)および図2(b)において、濃度が最も高いのは、図1に示した活性層106の位置に対応する白色の部分(「0」の濃淡レベル)であり、この部分は、2×1018cm-3以上の濃度となっている。 In FIG. 2A and FIG. 2B, the highest concentration is a white portion (lightness level of “0”) corresponding to the position of the active layer 106 shown in FIG. The concentration is 2 × 10 18 cm −3 or more.

一方、図2(a)および図2(b)に示した例では、n型領域R1とp型領域R2にドーピングが行われているにもかかわらず、リーク電流が流れる共振器外側の領域にもいくらかの電子濃度および正孔濃度を有する状態となっている。   On the other hand, in the example shown in FIG. 2A and FIG. 2B, the n-type region R1 and the p-type region R2 are doped in the region outside the resonator where the leakage current flows despite the doping. Also has some electron and hole concentrations.

<第1実施形態>
以上では、図1および図2を参照して、従来例について説明した。しかしながら、レーザ駆動の効率を向上させるには、リーク電流を抑制し、前述の領域、すなわちリーク電流が流れる共振器外側の領域における電子濃度および正孔濃度を低くするようにすることが好ましい。
<First Embodiment>
The conventional example has been described above with reference to FIGS. 1 and 2. However, in order to improve the laser driving efficiency, it is preferable to suppress the leakage current and lower the electron concentration and hole concentration in the aforementioned region, that is, the region outside the resonator where the leakage current flows.

図3は、本実施形態におけるフォトニック結晶デバイス10の構成例を示す図である。この実施形態は、図1に示した欠陥領域107に代えて、溝部(溝構造)17を備えるようにしたフォトニック結晶デバイス10である。   FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of the photonic crystal device 10 in the present embodiment. This embodiment is a photonic crystal device 10 provided with a groove (groove structure) 17 in place of the defect region 107 shown in FIG.

図3に示すように、フォトニック結晶デバイス10は、全体としてInP基板11上に形成されており、基板11の上には、犠牲層12および埋め込み成長層13が順に形成されている。基板11として例えばInP基板を適用する一例を示している。一般に、光通信に用いられる光の波長は1.3〜1.5μm帯であるため、その波長帯にバンドギャップをもつInP系の基板が広く用いられている。   As shown in FIG. 3, the photonic crystal device 10 is formed on an InP substrate 11 as a whole, and a sacrificial layer 12 and a buried growth layer 13 are formed on the substrate 11 in this order. For example, an InP substrate is used as the substrate 11. In general, since the wavelength of light used for optical communication is in the 1.3 to 1.5 μm band, InP-based substrates having a band gap in the wavelength band are widely used.

犠牲層12は、エアギャップ構造21を有する構成となっている。犠牲層12の材料としては、例えばInGaAsが用いられる。   The sacrificial layer 12 is configured to have an air gap structure 21. For example, InGaAs is used as the material of the sacrificial layer 12.

埋め込み成長層13には、複数の空気穴(フォトニック結晶穴)を有する2次元フォトニック結晶スラブが構成されており、このフォトニック結晶内の例えばInP薄膜中に、活性層16が埋め込んで形成されている。埋め込み成長層13は、活性層16を含むコア層領域よりも熱伝導率が高く、かつ、コア層領域よりもバンドギャップが大きい化合物(III−V族混合結晶)で形成される。埋め込み成長層13の材料としては、例えばInPが用いられる。   The buried growth layer 13 includes a two-dimensional photonic crystal slab having a plurality of air holes (photonic crystal holes). The active layer 16 is formed by embedding, for example, an InP thin film in the photonic crystal. Has been. The buried growth layer 13 is formed of a compound (III-V group mixed crystal) having a higher thermal conductivity than the core layer region including the active layer 16 and a larger band gap than the core layer region. For example, InP is used as the material of the buried growth layer 13.

活性層16は、量子井戸構造を有しており、キャリアの注入により光を励起する化合物(III−V族混合結晶)で形成される。活性層16の材料としては、例えばInGaAsPが用いられる。   The active layer 16 has a quantum well structure and is formed of a compound (III-V mixed crystal) that excites light by carrier injection. For example, InGaAsP is used as the material of the active layer 16.

この実施形態では、複数の空気穴は、xz平面において、一定の間隔で規則的になるように配列されている。例えば、隣接する各空気穴の間隔は、このフォトニック結晶デバイスの動作波長をλ、埋め込み成長層13の屈折率をNとすると、λ/Nで求められる大きさに調整される。図3の例では、隣接する空気穴の間隔は例えば422nmに設定されるが、適宜変更してもよい。   In this embodiment, the plurality of air holes are regularly arranged at regular intervals in the xz plane. For example, the interval between adjacent air holes is adjusted to a size required by λ / N, where λ is the operating wavelength of the photonic crystal device and N is the refractive index of the buried growth layer 13. In the example of FIG. 3, the interval between adjacent air holes is set to 422 nm, for example, but may be changed as appropriate.

また、埋め込み成長層13は、空気穴が形成されない領域として、溝部17を有する。溝部17は、例えばz軸方向に沿って線状に欠陥が形成され、電流を通さない領域として形成されている。   The buried growth layer 13 has a groove portion 17 as a region where no air hole is formed. The groove portion 17 is formed as a region in which defects are formed linearly along, for example, the z-axis direction and current is not passed through.

溝部17の深さは、例えば、埋め込み成長層13表面から埋め込みヘテロ構造に隣接する深さ位置まで達する。この溝部17に挟まれた領域内に、上述した活性層16が形成されている。   The depth of the groove portion 17 reaches, for example, from the surface of the buried growth layer 13 to a depth position adjacent to the buried heterostructure. The active layer 16 described above is formed in a region sandwiched between the groove portions 17.

図3において、n型領域R1は、埋め込み成長層13にIV族ないしVI族元素をドーピングすることによって形成され、p型領域R2は、埋め込み成長層13にII族ないしIV族元素をドーピングすることによって形成される。領域R1およびR2はそれぞれ、n型電極14およびp型電極15から電子と正孔を注入可能な構造となっている。図3では、領域R1,R2は、斜線で示してある。   In FIG. 3, the n-type region R1 is formed by doping the embedded growth layer 13 with a group IV or group VI element, and the p-type region R2 is formed by doping the embedded growth layer 13 with a group II or group IV element. Formed by. The regions R1 and R2 have a structure in which electrons and holes can be injected from the n-type electrode 14 and the p-type electrode 15, respectively. In FIG. 3, the regions R1 and R2 are indicated by hatching.

図4は、フォトニック結晶デバイス10において、バイアス電圧が3Vの場合における電子と正孔との濃度分布を説明するための図であって、(a)は電子濃度の分布、(b)は正孔濃度の分布を示す。   4A and 4B are diagrams for explaining the concentration distribution of electrons and holes when the bias voltage is 3 V in the photonic crystal device 10, wherein FIG. 4A is an electron concentration distribution, and FIG. The distribution of pore concentration is shown.

図2(a)および図2(b)に示したものと同様に、図4(a)および図4(b)においても、濃度が高くなるにつれ、それに応じた濃度を示すための濃淡レベルを「0」〜「2」の間で表示してある。   Similar to those shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), in FIGS. 4 (a) and 4 (b), as the density increases, the light and shade levels for indicating the density corresponding thereto are set. It is displayed between “0” and “2”.

図4(a)および図4(b)においても、図2(a)および図2(b)に示したものと同様に、濃度が最も高いのは図3に示した活性層16の位置に対応する白色の部分(「0」の濃淡レベル)である。すなわち、この白色の部分は、2×1018cm-3以上の濃度となっている。 4 (a) and 4 (b), similarly to those shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), the concentration is highest at the position of the active layer 16 shown in FIG. Corresponding white portion (lightness level of “0”). That is, the white portion has a density of 2 × 10 18 cm −3 or more.

一方、図4(a)および図4(b)に示した例では、図2(a)および図2(b)に示したものと比較して、図1の破線で示したリーク電流が流れていた領域における電子濃度および正孔濃度が低くなっている。   On the other hand, in the example shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), the leakage current shown by the broken line in FIG. 1 flows in comparison with that shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b). The electron concentration and hole concentration in the region that has been reduced are low.

なお、図4(a)および図4(b)において、活性領域におけるキャリア濃度は、図2(a)および図2(b)のものに比べて、20%増加したことがわかった。これは、同一のバイアス電圧(=3V)において、活性層へのキャリアの注入効率は、この実施形態のフォトニック結晶デバイス10の方が従来例のものよりも高くなることを意味する。換言すると、フォトニック結晶デバイス10では、リーク電流が低減する。   4 (a) and 4 (b), it was found that the carrier concentration in the active region increased by 20% compared to those in FIGS. 2 (a) and 2 (b). This means that at the same bias voltage (= 3 V), the efficiency of carrier injection into the active layer is higher in the photonic crystal device 10 of this embodiment than in the conventional example. In other words, the leak current is reduced in the photonic crystal device 10.

図5は、フォトニック結晶デバイス10における基本モードの磁界分布を従来のものと比較して説明するための図であって、(a)は従来のフォトニック結晶デバイス100の構成、(b)は従来例の基本モードの磁界分布、(c)は図3に示したフォトニック結晶デバイス10の構成、(d)は本実施形態の基本モードの磁界分布を示す。なお、図5(a)および図5(c)は、それぞれ、図1および図3に示したフォトニック結晶デバイスの上面図である。   5A and 5B are diagrams for explaining the magnetic field distribution of the fundamental mode in the photonic crystal device 10 in comparison with the conventional one, where FIG. 5A shows the configuration of the conventional photonic crystal device 100, and FIG. The magnetic field distribution in the fundamental mode of the conventional example, (c) shows the configuration of the photonic crystal device 10 shown in FIG. 3, and (d) shows the magnetic field distribution in the fundamental mode of this embodiment. 5A and 5C are top views of the photonic crystal device shown in FIGS. 1 and 3, respectively.

図5(b)および図5(d)に示す基本モードの磁界分布は、有限差分時間領域法(FDTD法)により計算された磁場成分をプロットして表したものである。磁界分布はxz平面上の磁界分布である。   The basic mode magnetic field distribution shown in FIGS. 5B and 5D is obtained by plotting magnetic field components calculated by the finite difference time domain method (FDTD method). The magnetic field distribution is a magnetic field distribution on the xz plane.

図5では、フォトニック結晶の格子定数を422nm、溝部17の幅を300nmとした例を示してある。   FIG. 5 shows an example in which the lattice constant of the photonic crystal is 422 nm and the width of the groove 17 is 300 nm.

図5(a)に示したフォトニック結晶デバイス100の場合には、基本モードは、図5(b)に示したような分布となる。この場合、共振の強さを示すQ値は、3700となった。   In the case of the photonic crystal device 100 shown in FIG. 5A, the basic mode has a distribution as shown in FIG. In this case, the Q value indicating the strength of resonance was 3700.

一方、 図5(c)に示したフォトニック結晶デバイス10の場合には、基本モードは、図5(d)に示したような分布となる。この場合、共振の強さを示すQ値は、4500となり、従来のものよりも大きい。つまり、この実施形態の場合には、共振器の光閉じ込めが従来のものに比べて約21%上昇することがわかった。また、高バイアスの状況下であっても、埋め込みヘテロ構造に電流を効率よく流すことができることがわかった。なお、図5(d)に示した例では、非特許文献(S. Matsuo et al., 20-Gbit/s directly modulated photonic crystal nanocavity laser with ultra-low power consumption, Optics Express, Vol. 19, No. 3, pp. 2242 -2250, 2011)に開示されているモードと同様のプロファイルが得られた。   On the other hand, in the case of the photonic crystal device 10 shown in FIG. 5C, the basic mode has a distribution as shown in FIG. In this case, the Q value indicating the strength of resonance is 4500, which is larger than the conventional one. That is, in this embodiment, it was found that the optical confinement of the resonator is increased by about 21% compared to the conventional one. It was also found that current can flow efficiently through the buried heterostructure even under high bias conditions. In the example shown in FIG. 5D, non-patent literature (S. Matsuo et al., 20-Gbit / s directly modulated photonic crystal nanocavity laser with ultra-low power consumption, Optics Express, Vol. 19, No. 3, pp. 2242 -2250, 2011), a profile similar to the mode disclosed was obtained.

図5(a)に示したフォトニック結晶デバイス100では、2つの導波路が並行に形成する構成となっているが、これらの導波路は方向性結合器として機能し、出力導波路の出力パワーのばらつきが大きくなると考えられる。これは、出力導波路の出力パワーが波長に依存する影響を無視できなくなるからである。   In the photonic crystal device 100 shown in FIG. 5A, two waveguides are formed in parallel. These waveguides function as a directional coupler, and the output power of the output waveguide. It is thought that the variation of the will increase. This is because the influence that the output power of the output waveguide depends on the wavelength cannot be ignored.

一方、本実施形態のフォトニック結晶デバイス10では、1つの導波路しか形成されていないため、導波路が方向性結合器として機能することはない。この点で、フォトニック結晶デバイス10によれば、出力パワーのばらつきが小さくなるため、出力効率の向上、および歩留まりの向上が実現する。   On the other hand, since only one waveguide is formed in the photonic crystal device 10 of this embodiment, the waveguide does not function as a directional coupler. In this respect, according to the photonic crystal device 10, since the variation in output power is reduced, the output efficiency is improved and the yield is improved.

なお、溝部17の構造は、フォトニクス結晶孔のエッチングと同時に形成することができるため、溝部17を形成するための製造工程を追加する必要がない。   The structure of the groove portion 17 can be formed simultaneously with the etching of the photonic crystal hole, so that it is not necessary to add a manufacturing process for forming the groove portion 17.

次に、前述の溝部17のフォトニックバンド構造について、図6を参照して説明する。図6は、溝部17のフォトニックバンド構造を従来例の導波路構造と比較して説明するための図である。   Next, the photonic band structure of the aforementioned groove portion 17 will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a view for explaining the photonic band structure of the groove portion 17 in comparison with the waveguide structure of the conventional example.

なお、図6中、実線は従来の導波路107(図1参照)のフォトニックバンド構造、破線は例えば300nmの幅を有する溝部17のフォトニックバンド構造を示してある。   In FIG. 6, the solid line indicates the photonic band structure of the conventional waveguide 107 (see FIG. 1), and the broken line indicates the photonic band structure of the groove 17 having a width of, for example, 300 nm.

図6では、フォトニックバンド構造として、2次元平面波展開法に従って計算した波数と規格化周波数との関係を示してある。   FIG. 6 shows the relationship between the wave number calculated according to the two-dimensional plane wave expansion method and the normalized frequency as a photonic band structure.

図6において縦線で示す領域は、フォトニック結晶のバンドギャップ(禁制帯)を表している。このバンドギャップ中には、導波路などに欠陥がなければ、光子が存在できない状態となるが、図6によれば、2本の実線が存在するため、従来例の導波路構造では、2つのモードが存在することがわかる。   A region indicated by a vertical line in FIG. 6 represents a band gap (forbidden band) of the photonic crystal. In this band gap, if there is no defect in the waveguide or the like, there will be no photon. However, according to FIG. 6, there are two solid lines. It can be seen that the mode exists.

一方、図6によれば、バンドギャップ中に破線が存在しないため、溝部17のフォトニックバンド構造では、バンドギャップ中にモードが存在しないことがわかる。これは、溝部17を有する導波路は、フォトニックバンドギャップを持ち、光を閉じ込める効果があることを明らかにした。   On the other hand, according to FIG. 6, since there is no broken line in the band gap, it can be seen that there is no mode in the band gap in the photonic band structure of the groove portion 17. This clarified that the waveguide having the groove portion 17 has a photonic band gap and has an effect of confining light.

図7は、溝部17の幅とQ値との関係の一例を示す図である。なお、Q値は、フォトニック結晶デバイスのレーザの共振Q値を示している。   FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the relationship between the width of the groove portion 17 and the Q value. The Q value represents the resonance Q value of the laser of the photonic crystal device.

Q値は、溝部17の幅が変化するに伴って図7に示すような値を採り、結果として、溝部17の幅が0〜500nmの間で変化しても、Q値が劣化することがないことがわかった。すなわち、溝部17の幅にかかわらず、溝部17は共振器として機能する。   The Q value takes a value as shown in FIG. 7 as the width of the groove portion 17 changes. As a result, even if the width of the groove portion 17 changes between 0 to 500 nm, the Q value may deteriorate. I knew it was n’t there. That is, the groove portion 17 functions as a resonator regardless of the width of the groove portion 17.

[フォトニック結晶デバイスの作製方法]
次に、本実施形態におけるフォトニック結晶デバイス10の作製方法について図8を参照して説明する。
[Method of manufacturing photonic crystal device]
Next, a manufacturing method of the photonic crystal device 10 in the present embodiment will be described with reference to FIG.

図8は、フォトニック結晶デバイス10の作製方法を説明するための説明図である。   FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining a manufacturing method of the photonic crystal device 10.

まず、図8(a)に示すように、InP基板11上に、InGaAs犠牲層12、InP層131、キャリア閉じ込め層162、InGaAsP活性層16、キャリア閉じ込め層161、InP層132を順番に結晶成長させる。結晶の成長法の一例として、MOVPE法を使用する。   First, as shown in FIG. 8A, an InGaAs sacrificial layer 12, an InP layer 131, a carrier confinement layer 162, an InGaAsP active layer 16, a carrier confinement layer 161, and an InP layer 132 are grown on the InP substrate 11 in order. Let The MOVPE method is used as an example of the crystal growth method.

次に、図8(b)に示すように、リソグラフィおよびエッチングにより、キャリア閉じ込め層162、InGaAsP活性層16、キャリア閉じ込め層161およびInP層132を除去して、図1に示した活性層16を含むコア層領域を形成する部分以外の部分を露出させる。   Next, as shown in FIG. 8B, the carrier confinement layer 162, the InGaAsP active layer 16, the carrier confinement layer 161, and the InP layer 132 are removed by lithography and etching, and the active layer 16 shown in FIG. A portion other than the portion forming the core layer region is exposed.

次に、図8(c)に示すように、キャリア閉じ込め層162、InGaAsP活性層16、キャリア閉じ込め層161およびInP層132の両端面に、再度、InP層133を成長させる。バットジョイント成長法により、埋め込みヘテロ構造を形成する。   Next, as shown in FIG. 8C, the InP layer 133 is grown again on both end faces of the carrier confinement layer 162, the InGaAsP active layer 16, the carrier confinement layer 161, and the InP layer 132. A buried heterostructure is formed by a butt joint growth method.

次に、図8(d)に示すように、InP層132,133の上面にわたりInP層134を成長させる。不純物拡散とイオン注入とにより、n型領域R1とp型領域R2とを形成する。   Next, as illustrated in FIG. 8D, the InP layer 134 is grown over the top surfaces of the InP layers 132 and 133. An n-type region R1 and a p-type region R2 are formed by impurity diffusion and ion implantation.

次に、図8(e)に示すように、ドライエッチングにより、InP層134,133,131を貫通して、InGaAs犠牲層12の中間付近まで達する複数の空気穴20を形成する。図8(e)の例では、複数の空気穴20は、一定の間隔(例えば、422nm)に規則的に配列されている(図3)。また、リソグラフィにより、図3に示した溝部17を形成する。   Next, as shown in FIG. 8E, a plurality of air holes 20 are formed by dry etching so as to penetrate the InP layers 134, 133, 131 and reach the vicinity of the middle of the InGaAs sacrificial layer 12. In the example of FIG. 8E, the plurality of air holes 20 are regularly arranged at a constant interval (for example, 422 nm) (FIG. 3). Further, the groove portion 17 shown in FIG. 3 is formed by lithography.

次に、n型領域R1およびp型領域R2の上に、それぞれ電極14,15を形成する。この形成に際して、例えば、真空蒸着法、リフトオフ法を用いる。そして、複数の空気穴20を用いて、InGaAs犠牲層12をウエットエッチングして、図8(f)に示すように、基板11とInP層131との間に、エアギャップ21を形成する。このようにして、本実施形態のフォトニック結晶デバイス10が作製できる。なお、図3において、InP層131,132,133,134は、それぞれ図1,2に示した埋め込み成長層13に対応する。   Next, electrodes 14 and 15 are formed on the n-type region R1 and the p-type region R2, respectively. For this formation, for example, a vacuum evaporation method or a lift-off method is used. Then, the InGaAs sacrificial layer 12 is wet-etched using the plurality of air holes 20 to form an air gap 21 between the substrate 11 and the InP layer 131 as shown in FIG. In this way, the photonic crystal device 10 of this embodiment can be manufactured. In FIG. 3, InP layers 131, 132, 133, and 134 correspond to the buried growth layer 13 shown in FIGS.

図8では、フォトニック結晶の格子定数を430nm、埋め込みヘテロ構造の長さを2.58μm、エアギャップによるスラブ層12の厚さを250nmとした。   In FIG. 8, the lattice constant of the photonic crystal is 430 nm, the length of the buried heterostructure is 2.58 μm, and the thickness of the slab layer 12 by the air gap is 250 nm.

このようにして作製されたフォトニック結晶デバイス10の注入電流と出力パワーとの関係について、図9を参照して説明する。   The relationship between the injection current and the output power of the photonic crystal device 10 manufactured in this way will be described with reference to FIG.

図9は、フォトニック結晶デバイス10において、注入電流と出力パワーとの関係の一例を示す図である。   FIG. 9 is a diagram illustrating an example of the relationship between the injection current and the output power in the photonic crystal device 10.

図9では、しきい値電流を4.9μAとした場合に、室温で連続発信する様子が観測できた。つまり、溝部17を備えるフォトニック結晶デバイス10は、小さいしきい値でのレーザの連続発振が可能である。さらに、しきい値の少なくとも40倍に相当する電流値まで出力光が増大し続けることがわかった。これは、しきい値の数倍に相当する注入電流で出力光が飽和し始める状態となる非特許文献3の場合と比較して、本実施形態のフォトニック結晶デバイス10の場合の方が、高デバイス状況下において、電流注入の効率が向上していることを意味する。   In FIG. 9, when the threshold current was 4.9 μA, it was observed that the signal was continuously transmitted at room temperature. That is, the photonic crystal device 10 including the groove portion 17 can continuously oscillate a laser with a small threshold. Furthermore, it has been found that the output light continues to increase to a current value corresponding to at least 40 times the threshold value. This is because the case of the photonic crystal device 10 of the present embodiment is compared with the case of Non-Patent Document 3 in which the output light starts to be saturated at an injection current corresponding to several times the threshold value. This means that the efficiency of current injection is improved under high device conditions.

以上説明したように、本実施形態のフォトニック結晶デバイス10によれば、溝部17の構成によって、電流の漏れ成分が抑制され、レーザ駆動の効率を向上する。   As described above, according to the photonic crystal device 10 of the present embodiment, the configuration of the groove portion 17 suppresses the current leakage component and improves the laser driving efficiency.

<第2実施形態>
第2実施形態について図10を参照して説明する。図10は、本実施形態におけるフォトニック結晶デバイス10Aの構成例を示す図である。
Second Embodiment
A second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration example of the photonic crystal device 10A in the present embodiment.

図10において、フォトニック結晶デバイス10Aが第1実施形態と異なるのは、n型領域R11およびp型領域R21を有する点である。   In FIG. 10, the photonic crystal device 10A is different from the first embodiment in that it has an n-type region R11 and a p-type region R21.

すなわち、フォトニック結晶デバイス10Aでは、第1実施形態と同様に、InP基板11上に、エアギャップ21を有するInGaAs犠牲層12、および、複数の空気穴20を有するInP埋め込み成長層13が順に形成されている。空気穴20の配列および間隔は、図1に例示した配列および間隔と同じようにしてある。また、活性層16は、図1に示した例と同様に埋め込まれてある。   That is, in the photonic crystal device 10A, as in the first embodiment, the InGaAs sacrificial layer 12 having the air gap 21 and the InP buried growth layer 13 having the plurality of air holes 20 are sequentially formed on the InP substrate 11. Has been. The arrangement and interval of the air holes 20 are the same as the arrangement and interval illustrated in FIG. The active layer 16 is embedded in the same manner as the example shown in FIG.

一方、第1実施形態と異なり、n型領域R11とp型領域R21とは、図3に例示した領域R1,R2と異なる形状を有するようになっている。この場合、素子の直列抵抗を低減することができるという効果を奏する。   On the other hand, unlike the first embodiment, the n-type region R11 and the p-type region R21 have different shapes from the regions R1 and R2 illustrated in FIG. In this case, there is an effect that the series resistance of the element can be reduced.

<第3実施形態>
第3実施形態について図11を参照して説明する。図11は、本実施形態におけるフォトニック結晶デバイス10Bの構成例を示す図である。
<Third Embodiment>
A third embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration example of the photonic crystal device 10B in the present embodiment.

図10において、フォトニック結晶デバイス10Bが第1実施形態と異なるのは、異なる長さの溝部18,19を有する点である。   In FIG. 10, the photonic crystal device 10 </ b> B is different from the first embodiment in that the groove portions 18 and 19 have different lengths.

すなわち、フォトニック結晶デバイス10Bでは、第1実施形態と同様に、InP基板11上に、エアギャップ21を有するInGaAs犠牲層12、および、複数の空気穴20を有するInP埋め込み成長層13が順に形成されている。空気穴20の配列および間隔は、図1に例示した配列および間隔と同じようにしてある。また、活性層16は、図1に示した例と同様に埋め込まれてある。   That is, in the photonic crystal device 10B, an InGaAs sacrificial layer 12 having an air gap 21 and an InP buried growth layer 13 having a plurality of air holes 20 are sequentially formed on an InP substrate 11 as in the first embodiment. Has been. The arrangement and interval of the air holes 20 are the same as the arrangement and interval illustrated in FIG. The active layer 16 is embedded in the same manner as the example shown in FIG.

一方、第1実施形態と異なり、2つの溝部18,19は、異なる長さを有するようになっている。例えば、溝部18は、埋め込みヘテロ構造に隣接する位置に相当する深さまで有するように形成し、溝部19は、埋め込みヘテロ構造の一部を切り欠く位置に相当する長さまで有するように形成される。このような溝部構造は、フォトニック結晶穴のエッチング(図9(e))およびエアギャップ21の形成(図9(f))後に、追加のエッチング、または集束イオンビーム(FIB)等の手法により形成することができる。図11のフォトニック結晶デバイス10Bによると、活性層16の脇にアンドープのInP層が残らず、活性層16の脇を流れるリーク電流を少なくすることができる。   On the other hand, unlike the first embodiment, the two groove portions 18 and 19 have different lengths. For example, the groove 18 is formed so as to have a depth corresponding to a position adjacent to the buried heterostructure, and the groove 19 is formed so as to have a length corresponding to a position where a part of the buried heterostructure is notched. Such a groove structure is formed by a method such as additional etching or focused ion beam (FIB) after etching the photonic crystal hole (FIG. 9E) and forming the air gap 21 (FIG. 9F). Can be formed. According to the photonic crystal device 10 </ b> B of FIG. 11, no undoped InP layer remains on the side of the active layer 16, and leakage current flowing on the side of the active layer 16 can be reduced.

<変形例>
以上では、第1実施形態ないし第3実施形態を参照して、電流の漏れ成分を抑制し、レーザ駆動の効率を向上させることができるフォトニクス結晶デバイスについて説明したが、他の形状の構成を適用することもできる。
<Modification>
The photonic crystal device that can suppress the leakage component of current and improve the efficiency of laser driving has been described above with reference to the first to third embodiments. However, the configuration of other shapes is applied. You can also

例えば、溝部17,18,19の深さ、幅、または長さは、異なるように形成してもよい。例えば、スラブを貫通したりスラブの中心まで溝を掘る構造が考えられる。溝部17〜19の幅は光導波路より広くてもよいし、狭くてもよい。溝部17〜19の長さは、溝部と活性層16との間の隙間が、0からフォトニック結晶格子定数の数倍の値までの範囲内で変更してもよい。   For example, the groove portions 17, 18, and 19 may be formed to have different depths, widths, or lengths. For example, a structure that penetrates the slab or digs a groove to the center of the slab is conceivable. The widths of the groove portions 17 to 19 may be wider or narrower than the optical waveguide. The lengths of the groove portions 17 to 19 may be changed within a range in which the gap between the groove portion and the active layer 16 is from 0 to a value several times the photonic crystal lattice constant.

各実施形態のフォトニクス結晶デバイスでは、活性層の材料をInGaAsPとしたが、例えばInGaAs、InGaAlAs等を適用してもよい。また、活性層の構造として量子井戸としたが、バルクや量子細線、また量子ドットを適用してもよい。また、キャリア閉じ込め層の材料をInGaAsPとしたが、例えば、InGaAs、InAlAs、GaAs、InP等を適用してもよい。   In the photonic crystal device of each embodiment, the material of the active layer is InGaAsP. However, for example, InGaAs, InGaAlAs, or the like may be applied. Further, although the quantum well is used as the structure of the active layer, a bulk, a quantum wire, or a quantum dot may be applied. Moreover, although the material of the carrier confinement layer is InGaAsP, for example, InGaAs, InAlAs, GaAs, InP, or the like may be applied.

あるいは、埋め込み成長層の材料をInPとしたが、例えばInGaAsP、GaAs等を適用してもよい。犠牲層の材料をInGaAsとしたが、例えばInAlAs等を適用してもよい。また、InP基板11を用いる場合について説明しているが、例えば、GaAs、サファイア基板、シリコン基板、または、他の半導体基板を適用することもできる。   Alternatively, although the material of the buried growth layer is InP, for example, InGaAsP, GaAs or the like may be applied. Although the material of the sacrificial layer is InGaAs, for example, InAlAs or the like may be applied. Further, although the case where the InP substrate 11 is used is described, for example, a GaAs, sapphire substrate, silicon substrate, or other semiconductor substrate can be applied.

空気穴の間隔または配列は、各実施形態に限られるものではなく、変更可能である。あるいは、溝部17,18,19の幅、深さ、配置についても、各実施形態に限られるものではなく、変更可能である。例えば、フォトニック結晶の基本モードの電磁分布が強い領域を除く範囲に形成されるようにすれば、溝部17,18,19は、光導波路の導波方向に対して所定の領域に形成するようにしてもよい。   The space | interval or arrangement | sequence of an air hole is not restricted to each embodiment, It can change. Alternatively, the width, depth, and arrangement of the groove portions 17, 18, and 19 are not limited to each embodiment, and can be changed. For example, if the photonic crystal is formed in a range excluding a region where the fundamental mode electromagnetic distribution is strong, the grooves 17, 18, and 19 are formed in a predetermined region with respect to the waveguide direction of the optical waveguide. It may be.

フォトニクス結晶デバイスは、半導体レーザの場合を例にとって説明したが、例えば屈折率の変化を利用する半導体光スイッチ、変調器、フォトディテクタ等に適用するようにしてもよい。   The photonic crystal device has been described by taking the case of a semiconductor laser as an example. However, for example, the photonic crystal device may be applied to a semiconductor optical switch, a modulator, a photodetector, or the like using a change in refractive index.

10 フォトニクス結晶デバイス
11 基板
13 埋め込み成長層
14,15 電極
16 活性層
17,18,19 溝部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Photonic crystal device 11 Substrate 13 Embedded growth layer 14,15 Electrode 16 Active layer 17, 18, 19 Groove part

Claims (2)

半導体スラブに空気穴が規則的に配列されているフォトニック結晶と、
前記フォトニック結晶内の一部に形成されている線欠陥導波路と、
前記線欠陥導波路内の一部に形成されている活性層と、
前記活性層に対して前記線欠陥導波路の延在方向と異なる方向の面方向にバイアスを印加するための電極構造と、
前記線欠陥導波路内であって、その幅が前記線欠陥導波路に収まる範囲内となるよう、前記活性層の両側領域に形成されている溝構造と
を含むことを特徴とするフォトニック結晶デバイス。
A photonic crystal in which air holes are regularly arranged in a semiconductor slab;
A line defect waveguide formed in a part of the photonic crystal;
An active layer formed in a part of the line defect waveguide ;
An electrode structure for applying a bias to the active layer in a plane direction different from the extending direction of the line defect waveguide ;
A photonic crystal comprising a groove structure formed in both side regions of the active layer so as to be within the range of the line defect waveguide and the width of the line defect waveguide device.
前記溝構造と前記活性層との間の隙間は、0からフォトニック結晶格子定数の数倍の値までの範囲内で形成されていることを特徴とする請求項に記載のフォトニック結晶デバイス。 2. The photonic crystal device according to claim 1 , wherein a gap between the groove structure and the active layer is formed in a range from 0 to a value several times the photonic crystal lattice constant. .
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