JP6019522B2 - Surface emitting laser device - Google Patents

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Description

本発明は、光の共振方向が基板面に対して垂直である垂直共振器面発光レーザ(VCSEL=Vertical Cavity Surface Emitting LASER)と、該レーザに用いられる反射鏡とに関する。本明細書では、慣用に従って垂直共振器面発光レーザを単に面発光レーザ又はVCSELと呼ぶこととする。   The present invention relates to a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL = Vertical Cavity Surface Emitting Laser) in which the resonance direction of light is perpendicular to a substrate surface, and a reflecting mirror used in the laser. In this specification, the vertical cavity surface emitting laser is simply referred to as a surface emitting laser or a VCSEL in accordance with common usage.

近年、インターネット等のネットワークを通して伝送されるデータ量の増加は著しく、現在使用されているシステムよりも大幅に高速である光ファイバ通信システムの開発が急務となっている。こうした次世代の光ファイバ通信システムにおいては、現在、電気的に行われているIP(Internet Protocol)パケットのルーティング等の処理や制御を、光信号のままで行うことが想定されている。こうした電気信号を介さないフォトニックパケットネットワークが実現されれば、単に通信や伝送の高速化・大容量化が図れるのみならず、大幅な低消費電力化や装置の小型化が可能となると見込まれる。   In recent years, the amount of data transmitted through a network such as the Internet has increased remarkably, and there is an urgent need to develop an optical fiber communication system that is significantly faster than currently used systems. In such a next-generation optical fiber communication system, it is assumed that processing and control such as routing of IP (Internet Protocol) packets that are currently performed electrically are performed as they are as optical signals. If such a photonic packet network without electrical signals is realized, it is expected that not only can communication and transmission be speeded up and increased in capacity, but also a significant reduction in power consumption and downsizing of the device will be possible. .

フォトニックパケットネットワークを実現する上で、不可欠で且つ基本的なデバイスが、全光型の光スイッチ、光バッファメモリ、光フリップフロップなどである。光バッファメモリとしては様々な構成のものが提案されているが、その一つとして、特許文献1、非特許文献1、2などに記載された、偏光状態を切替え可能である偏光双安定面発光レーザを用いた光バッファメモリがある。また、それら文献には、個別の偏光双安定面発光レーザ、光アイソレータ、光ゲート、及び偏光子などにより構成された全光型シフトレジスタや、多数の偏光双安定面発光レーザを2次元アレイ状に集積化し、空間的に並列に光を入出力するようにした全光型シフトレジスタなども開示されている。さらにまた、特許文献2には、2次元アレイ状に配置された偏光双安定面発光レーザの出力光が隣接する別の偏光双安定面発光レーザに垂直に入力されるように光路を形成するべく光学素子の空間的配置等が工夫された、全光型シフトレジスタが開示されている。   An essential and basic device for realizing a photonic packet network is an all-optical type optical switch, an optical buffer memory, an optical flip-flop, and the like. Various types of optical buffer memories have been proposed, and one of them is a polarization bistable surface emission that can switch the polarization state described in Patent Document 1, Non-Patent Documents 1 and 2, etc. There is an optical buffer memory using a laser. These documents also describe two-dimensional array of all-optical shift registers composed of individual polarization bistable surface emitting lasers, optical isolators, optical gates, polarizers, etc., and many polarization bistable surface emitting lasers. Also disclosed is an all-optical shift register that is integrated in a space and inputs and outputs light in parallel in a spatial manner. Furthermore, in Patent Document 2, an optical path is formed so that the output light of a polarization bistable surface emitting laser arranged in a two-dimensional array is vertically input to another adjacent polarization bistable surface emitting laser. An all-optical shift register in which the spatial arrangement of optical elements is devised is disclosed.

いずれにしても、光バッファメモリや全光型シフトレジスタなどのデバイスにおける基本的な構成要素は、偏光双安定面発光レーザである。一般に、面発光レーザは、半導体基板上に形成された活性層と、該活性層を挟み込むようにその下部及び上部にそれぞれ設けられた反射鏡とから構成される、基板に垂直な方向の共振器、を備える。面発光レーザにおいて、或る方向に振動している偏光を発している共振器に対して該偏光と振動方向が直交する偏光を入力すると、発振している偏光の振動方向が入力光と同じ方向に切り替わり、入力光がなくなっても発振している偏光状態は維持される、という偏光双安定性を示す場合がある。偏光双安定面発光レーザは、この偏光双安定性を有した面発光レーザである。   In any case, a basic component in a device such as an optical buffer memory or an all-optical shift register is a polarization bistable surface emitting laser. In general, a surface emitting laser is a resonator in a direction perpendicular to a substrate, which is composed of an active layer formed on a semiconductor substrate and reflecting mirrors provided at the lower and upper portions so as to sandwich the active layer. . In surface-emitting lasers, when polarized light whose vibration direction is orthogonal to the resonator emitting polarized light oscillating in a certain direction is input, the oscillation direction of the oscillating polarized light is the same as the input light. In some cases, the polarization bistability may be maintained such that the oscillating polarization state is maintained even when the input light disappears. The polarization bistable surface emitting laser is a surface emitting laser having this polarization bistability.

面発光レーザにおいて高効率のレーザ発振を生じさせるためには、反射鏡が目的とする波長帯域に対し高い反射率を有している必要がある。そこで、従来の面発光レーザでは一般に、反射鏡として半導体多層膜による分布ブラッグ反射鏡(DBR=Distributed Bragg Reflector)が利用されている。例えば、非特許文献1のFig.8に開示されている偏光双安定面発光レーザにおいても、反射鏡として、InAlAs/InAlGaAsによるDBRが使用されている。   In order to cause high-efficiency laser oscillation in a surface emitting laser, the reflecting mirror needs to have a high reflectance with respect to a target wavelength band. Therefore, a conventional surface emitting laser generally uses a distributed Bragg reflector (DBR = Distributed Bragg Reflector) as a reflecting mirror. For example, FIG. Also in the polarization bistable surface emitting laser disclosed in FIG. 8, DBR by InAlAs / InAlGaAs is used as a reflecting mirror.

しかしながら、DBRは半導体薄膜を多数積層させて形成したものであるため、充分に高い反射率を達成しようとすると或る程度厚くなることが避けられない。一般に面発光レーザでは活性層はかなり薄いため、DBRの厚さが面発光レーザの薄形化の制約要因となることが多い。即ち、従来のDBRを反射鏡として使用すると、偏光双安定面発光レーザを薄形化することは難しく、該レーザを利用した光バッファメモリ等のデバイスの小形化も難しいという問題がある。   However, since the DBR is formed by laminating a large number of semiconductor thin films, it is inevitable that the DBR becomes thicker to achieve a sufficiently high reflectance. In general, since the active layer is considerably thin in a surface emitting laser, the thickness of the DBR is often a limiting factor for thinning the surface emitting laser. That is, when a conventional DBR is used as a reflecting mirror, there is a problem that it is difficult to reduce the thickness of a polarization bistable surface emitting laser, and it is also difficult to reduce the size of a device such as an optical buffer memory using the laser.

また、従来の偏光双安定面発光レーザでは、双方向に偏光を切り替えるための光制御信号を共振器からの光の出力方向と同軸で入射する必要があり、全光型シフトレジスタなどのデバイスにおいては、偏光双安定面発光レーザが形成された半導体基板の上方空間に多数の光学素子を精度良く配置する必要があった。そのため、偏光双安定面発光レーザ自体を薄形化・小形化することができたとしても、全光型シフトレジスタ等のデバイスが大形化することは避けられない。さらにまた、このように多数の光学素子を空間的に配置した構成は、機械的振動に対する信頼性の点でも問題がある。   In addition, in the conventional polarization bistable surface emitting laser, it is necessary to enter a light control signal for switching the polarization in both directions coaxially with the output direction of light from the resonator. Therefore, it is necessary to accurately arrange a large number of optical elements in the space above the semiconductor substrate on which the polarization bistable surface emitting laser is formed. For this reason, even if the polarization bistable surface emitting laser itself can be reduced in thickness and size, it is inevitable that devices such as all-optical shift registers will be increased in size. Furthermore, such a configuration in which a large number of optical elements are spatially arranged has a problem in terms of reliability against mechanical vibration.

ところで、近年、面発光レーザ用の反射鏡として、サブ波長オーダの厚さでありながら広い波長帯域に亘って高い反射率を実現できる高屈折率差サブ波長グレーティング(HCG=High-index Contrast subwavelength Grating)が注目され、盛んに研究されている。例えば非特許文献3には、半導体基板上に形成された低屈折率層の上に高屈折率物質によるストライプ状構造体が形成されてなるHCGが開示されている。非特許文献3には、こうした構造のHCGによれば、ストライプ状構造体の延伸方向に直交する方向(つまり幅方向)に振動する偏光に対して高い反射率を実現できることが記載されている。また、非特許文献4には、上述したようなストライプ状構造を有するHCGを活性層の下側の下部反射鏡として用いた面発光レーザが開示されている。   By the way, in recent years, as a reflecting mirror for a surface emitting laser, a high refractive index difference subwavelength grating (HCG = High-index Contrast subwavelength grating) that can realize a high reflectance over a wide wavelength band while having a thickness of a subwavelength order. ) Is attracting attention and is actively researched. For example, Non-Patent Document 3 discloses an HCG in which a stripe structure made of a high refractive index material is formed on a low refractive index layer formed on a semiconductor substrate. Non-Patent Document 3 describes that according to the HCG having such a structure, a high reflectance can be realized with respect to polarized light that vibrates in a direction perpendicular to the extending direction of the stripe structure (that is, the width direction). Non-Patent Document 4 discloses a surface emitting laser using HCG having the stripe structure as described above as a lower reflecting mirror below the active layer.

しかしながら、非特許文献3に記載されたHCGは一つの直線偏光に対してのみ高い反射率が達成されるものであり、異なる方向の複数の直線偏光を扱う必要がある偏光双安定面発光レーザには適用することができない。また同様に、非特許文献4に記載の面発光レーザは、単に一つの直線偏光を有するレーザ光を出射するものであり、異なる方向の複数の直線偏光に対応したものではない。   However, the HCG described in Non-Patent Document 3 achieves a high reflectance only for one linearly polarized light, and is a polarization bistable surface emitting laser that needs to handle a plurality of linearly polarized lights in different directions. Is not applicable. Similarly, the surface emitting laser described in Non-Patent Document 4 simply emits laser light having one linearly polarized light, and does not correspond to a plurality of linearly polarized lights in different directions.

特許第4369573号公報Japanese Patent No. 4369573 特開2008−262122号公報JP 2008-262122 A

河口、「偏光双安定VCSELと光バッファメモリへの応用」、レーザー研究、社団法人レーザー学会発行、第37巻第8号、2009年8月、pp.608-613Kawaguchi, “Polarized bistable VCSEL and its application to optical buffer memory”, Laser Research, The Laser Society of Japan, Vol. 37, No. 8, August 2009, pp.608-613 河口、「双安定半導体レーザーによる光信号処理」、レーザー研究、社団法人レーザー学会発行、第40巻第5号、2012年5月、pp.369-374Kawaguchi, "Optical signal processing using a bistable semiconductor laser", Laser Research, The Laser Society of Japan, Vol. 40, No. 5, May 2012, pp.369-374 カルロス(Carlos)ほか、「ウルトラブロードバンド・ミラー・ユージング・ロー-インデクス・クラデッド・サブウェイブレングス・グレーティング(Ultrabroadband Mirror Using Low-Index Cladded Subwavelength Grating)」、アイトリプルイー・フォトニクス・テクノロジー・レターズ(IEEE Photonics Technology Letters)、Vol.16、2004年、pp.518-520Carlos et al., "Ultrabroadband Mirror Using Low-Index Cladded Subwavelength Grating", I-Triple Photonics Technology Letters (IEEE Photonics) Technology Letters), Vol.16, 2004, pp.518-520 チャン(Chung)ほか、「シリコン-フォトニクス・ライト・ソース・リアライズド・バイ・III-V/Si-グレーティング-ミラー・レーザ(Silicon-Photonics Light Source Realized by III-V/Si-Grating-Mirror Laser)」、アプライド・フィジックス・レターズ(Applied Physics Letters)、Vol.97、No.15、2010年、pp.15113Chung et al., “Silicon-Photonics Light Source Realized by III-V / Si-Grating-Mirror Laser” "Applied Physics Letters, Vol.97, No.15, 2010, pp.15113 若林ほか、「サブ波長グレーティングを利用した広帯域ミラーの反射特性」、信学技報、電子通信情報学会発行、Vol.110、No.437、2011年3月、pp.7-12Wakabayashi et al., “Reflection characteristics of broadband mirrors using sub-wavelength gratings”, IEICE Technical Report, IEICE, Vol.110, No.437, March 2011, pp.7-12

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その第1の目的は、偏光双安定面発光レーザを薄形化・小形化することができ、また作製も容易である、レーザ用の反射鏡を提供することである。   The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and a first object of the present invention is to make a polarization bistable surface-emitting laser thin and small, and to be easily manufactured. Is to provide a reflector.

また、本発明の第2の目的は、例えば光スイッチや全光型シフトレジスタなどのデバイスを小形化することができ、機械的振動に対しても高い信頼性を確保することができる面発光レーザ装置を提供することである。   A second object of the present invention is a surface emitting laser capable of miniaturizing devices such as an optical switch and an all-optical shift register and ensuring high reliability against mechanical vibration. Is to provide a device.

本願発明者らは、非特許文献3、4に記載されているようなHCGが広い波長帯域に亘り高い反射率を達成できることに着目し、偏光に依存せずに高い反射率を実現可能なHCGによる反射鏡の研究・開発を鋭意進めている。その中で、本願発明者らは、従来の1次元周期構造を有するHCGを2次元周期構造に拡張する手法に想到し、さらに実際の面発光レーザへの実装の容易性やコストを考慮した上で、シミュレーション計算などによる検討を重ねて本発明をするに至った。   The inventors of the present application pay attention to the fact that HCG as described in Non-Patent Documents 3 and 4 can achieve a high reflectance over a wide wavelength band, and can realize a high reflectance without depending on polarization. Research and development of reflectors by is underway. Among them, the inventors of the present application have come up with a method for extending a conventional HCG having a one-dimensional periodic structure to a two-dimensional periodic structure, and further considering the ease and cost of mounting on an actual surface emitting laser. Thus, the present invention has been made through repeated studies based on simulation calculations and the like.

即ち、上記課題を解決するために成された本発明に用いられるレーザ用反射鏡は、面発光レーザにおいて光を発生する活性層とともに共振器を形成するために用いられる高屈折率差グレーティング(HCG)構造による反射鏡であって、
a)第1屈折率を有し平面状に広がる領域を占める低屈折率層と、
b)前記低屈折率層の一方の面に接するように配置され、前記第1屈折率よりも大きい第2屈折率を有する材料からなり、該低屈折率層に直交する軸に対して90°の回転対称性を有する井桁状の2次元格子構造体と、
を有し、前記軸の方向に沿って入射される任意の偏光を有する光に対し、目的とする波長帯域に亘り反射率が所定以上であるように、前記第1屈折率、前記第2屈折率、前記低屈折率層の厚さ、前記2次元格子構造体の厚さ、該2次元格子構造体の格子のピッチ、及び格子幅を含むパラメータが調整されてなることを特徴としている。
That is, the laser reflecting mirror used in the present invention for solving the above problems is a high refractive index difference grating (HCG) used for forming a resonator together with an active layer that generates light in a surface emitting laser. ) Reflector by structure,
a) a low refractive index layer having a first refractive index and occupying a planar area;
b) It is arranged so as to be in contact with one surface of the low refractive index layer, and is made of a material having a second refractive index larger than the first refractive index, and is 90 ° with respect to an axis orthogonal to the low refractive index layer. A grid-like two-dimensional lattice structure having rotational symmetry of
And the first refractive index and the second refractive index so that the reflectance is not less than a predetermined value over a target wavelength band with respect to light having an arbitrary polarization incident along the axis direction. Parameters including a refractive index, a thickness of the low refractive index layer, a thickness of the two-dimensional grating structure, a pitch of the grating of the two-dimensional grating structure, and a grating width are adjusted.

このレーザ用反射鏡において、低屈折率層は第2屈折率よりも小さい第1屈折率を有する様々な材料からなるものとすることができる。例えばSiO2(酸化シリコン)など半導体プロセスでごく一般に用いられる材料のほか、より屈折率の小さな空気を材料とすることもできる。低屈折率層を空気からなる層とする場合、反射鏡はスペーサ層を用いたエアブリッジ構造となる。
In this laser reflecting mirror, the low refractive index layer can be made of various materials having a first refractive index smaller than the second refractive index. For example, in addition to a material generally used in a semiconductor process such as SiO 2 (silicon oxide), air having a smaller refractive index can be used. When the low refractive index layer is a layer made of air, the reflecting mirror has an air bridge structure using a spacer layer.

このレーザ用反射鏡において、低屈折率層の一方の面に接するように配置された井桁状の2次元格子構造体は、その低屈折率層に直交する軸に対して90°の回転対称性を有する。そのため、該軸に沿って入射する光が偏光Ex(0°)、又はこれに直交する偏光Ey(90°)のいずれであっても入射条件は等しく、同等の反射特性が得られる。つまりは、偏光に依らずに高い反射率が達成される偏光無依存の反射鏡となる。
In this laser reflector, the two-dimensional lattice structure arranged in contact with one surface of the low refractive index layer has a rotational symmetry of 90 ° with respect to an axis orthogonal to the low refractive index layer. Have Therefore, the incident conditions are the same regardless of whether the light incident along the axis is polarized light Ex (0 °) or polarized light Ey (90 °) orthogonal thereto, and equivalent reflection characteristics can be obtained. That is, it becomes a polarization-independent reflecting mirror that achieves a high reflectance regardless of polarization.

このレーザ用反射鏡と同様に、非特許文献3、4などに開示された1次元周期構造を有するHCGを2次元周期構造に拡張したHCGとして、非特許文献5に記載のものが知られている。しかしながら、非特許文献5に記載の2次元周期構造を持つHCGは、低屈折率層の上に、高屈折率材料からなる多数の正四角柱体が2次元格子状に配置された構造を有する。そのため、低屈折率層を空気層としたエアブリッジ構造を採ることはできない。HCGにおいて反射率を高めるには、低屈折率層を構成する材料の屈折率(第1屈折率)と2次元格子構造体を構成する材料の屈折率(第2屈折率)との差が大きいほうが有利である。空気はSiO2等、空気以外で考えられる材料に比べて屈折率がかなり小さい。したがって、面発光レーザへの実装、特に面発光レーザの活性層の上側に配置される上部反射鏡への適用を考えた場合、エアブリッジ構造を採り得ることは大きな利点である。
Similar to this laser reflector, the one described in Non-Patent Document 5 is known as an HCG obtained by extending the HCG having a one-dimensional periodic structure disclosed in Non-Patent Documents 3 and 4 to a two-dimensional periodic structure. Yes. However, the HCG having a two-dimensional periodic structure described in Non-Patent Document 5 has a structure in which a large number of regular rectangular prisms made of a high refractive index material are arranged in a two-dimensional lattice pattern on a low refractive index layer. Therefore, an air bridge structure in which the low refractive index layer is an air layer cannot be adopted. In order to increase the reflectance in HCG, the difference between the refractive index of the material constituting the low refractive index layer (first refractive index) and the refractive index of the material constituting the two-dimensional lattice structure (second refractive index) is large. Is more advantageous. Air has a significantly lower refractive index than materials such as SiO 2 that can be considered other than air. Therefore, it is a great advantage to adopt an air bridge structure when considering mounting on a surface emitting laser, particularly application to an upper reflecting mirror disposed above the active layer of the surface emitting laser.

上記課題を解決するために成された本発明は、上記レーザ用反射鏡を用いた面発光レーザ装置であって、
半導体基板と、該半導体基板上に形成された下部反射鏡、該下部反射鏡の上に配置された光を発生する活性層、及び該活性層の上に形成された上部反射鏡、からなる共振器と、を具備する面発光レーザ装置であって、
少なくとも前記下部反射鏡として、第1屈折率を有し平面状に広がる領域を占める低屈折率層と、前記半導体基板上に形成されている一つの半導体層に形成されるとともに、前記低屈折率層の一方の面に接するように配置され、前記第1屈折率よりも大きい第2屈折率を有する材料からなり、該低屈折率層に直交する軸に対して90°の回転対称性を有する井桁状の2次元格子構造体と、を有し、前記軸の方向に沿って入射される任意の偏光を有する光に対し、目的とする波長帯域に亘り反射率が所定以上であるように、前記第1屈折率、前記第2屈折率、前記低屈折率層の厚さ、前記2次元格子構造体の厚さ、該2次元格子構造体の格子のピッチ、及び格子幅を含むパラメータが調整されてなる高屈折率差グレーティング構造による反射鏡が用いられ、
前記2次元格子構造体が形成されている前記半導体層に光を導くための光導波路が、該2次元格子構造体が交点に位置するように井桁状に配設され、
該2次元格子構造体を含む共振器から、互いに異なる振動方向の偏光をそれぞれ異なる方向へと延伸する前記光導波路へと送出可能としたことを特徴としている。
The present invention was made in order to solve the aforementioned problems is a surface emitting laser device using the laser reflecting mirror,
Resonance comprising a semiconductor substrate, a lower reflecting mirror formed on the semiconductor substrate, an active layer for generating light disposed on the lower reflecting mirror, and an upper reflecting mirror formed on the active layer A surface emitting laser device comprising:
At least the lower reflecting mirror is formed in a low refractive index layer occupying a region having a first refractive index and extending in a planar shape, and one semiconductor layer formed on the semiconductor substrate, and the low refractive index It is arranged so as to be in contact with one surface of the layer, and is made of a material having a second refractive index larger than the first refractive index, and has a rotational symmetry of 90 ° with respect to an axis orthogonal to the low refractive index layer. A grid-like two-dimensional lattice structure, and for the light having an arbitrary polarization incident along the direction of the axis, the reflectance over a target wavelength band is not less than a predetermined value, Parameters including the first refractive index, the second refractive index, the thickness of the low refractive index layer, the thickness of the two-dimensional grating structure, the pitch of the grating of the two-dimensional grating structure, and the grating width are adjusted. Reflector with high refractive index difference grating structure I can,
An optical waveguide for guiding light to the semiconductor layer in which the two-dimensional lattice structure is formed is arranged in a grid shape so that the two-dimensional lattice structure is located at an intersection,
From the resonator including the two-dimensional grating structure, polarized light beams having different vibration directions can be transmitted to the optical waveguides extending in different directions .

第2発明に係る面発光レーザ装置では、好ましくは、下部反射鏡、上部反射鏡ともに上記レーザ用反射鏡を用いるとよいが、下部反射鏡として該レーザ用反射鏡を用い、他方にはDBRなどの他の構造の反射鏡を用いてもよい。HCG構造による反射鏡はDBRと比べて薄いため、発明に係る面発光レーザ装置によれば、共振器を薄形化することで当該面発光レーザ装置自体を薄形にすることができる。
In the surface emitting laser device according to the second aspect of the present invention, it is preferable to use the above laser reflecting mirror for both the lower reflecting mirror and the upper reflecting mirror, but the laser reflecting mirror is used as the lower reflecting mirror, and the other is DBR or the like. Reflectors having other structures may be used. Since the reflecting mirror with the HCG structure is thinner than the DBR, according to the surface emitting laser device of the present invention, the surface emitting laser device itself can be made thin by thinning the resonator.

本発明に係る面発光レーザ装置は、共振器が光導波路に直結された光導波路結合型の面発光レーザであり、共振器内で生成され、共振器に閉じ込められた光を上部反射鏡を通して上部空間へと出射させる以外に、下部反射鏡を通してこれに結合された光導波路へと光を送り出すことが可能である。そのため、例えば、光導波路を介して複数の面発光レーザを接続する構成を採ることで、或る一つの面発光レーザの共振器に閉じ込められた光を、上部空間を通してではなく光導波路を通して別の面発光レーザに伝搬し、該面発光レーザの共振器に移送することができる。即ち、複数の面発光レーザ間で光出力を伝送する際に、上部空間を利用する必要がない。
A surface-emitting laser device according to the present invention is an optical waveguide coupling type surface-emitting laser in which a resonator is directly connected to an optical waveguide, and the light generated in the resonator and confined in the resonator is passed through the upper reflecting mirror. In addition to emitting light to space, it is possible to send light through the lower reflector to the optical waveguide coupled thereto. Therefore, for example, by adopting a configuration in which a plurality of surface emitting lasers are connected through an optical waveguide, light confined in a resonator of a certain surface emitting laser is separated from another through the optical waveguide instead of through the upper space. It can propagate to the surface emitting laser and be transferred to the resonator of the surface emitting laser. That is, it is not necessary to use the upper space when transmitting the light output between the plurality of surface emitting lasers.

なお、光導波路は面発光レーザ光出力の偏光を切り替えるための光制御信号の伝送にも使用することが可能である。各面発光レーザの光出力の伝送と光制御信号の伝送との両方に光導波路を使用すれば、面発光レーザの上方空間に光学素子を配置する必要がなくなり、装置の大幅な薄形化・小形化が図れる。その反面、光導波路の構造がかなり複雑になり、製造が難しくなる。そこで、光導波路は各面発光レーザの光出力の伝送に利用し、当該レーザ装置の共振器に閉じ込められた光の偏光を切り替えるための光制御信号は、上部反射鏡の外側から前記軸の方向に沿って入射するようにしてもよい。   The optical waveguide can also be used for transmission of a light control signal for switching the polarization of the surface emitting laser light output. If optical waveguides are used for both the optical output transmission and the optical control signal transmission of each surface emitting laser, there is no need to place an optical element in the space above the surface emitting laser, and the device can be made significantly thinner and thinner. Miniaturization can be achieved. On the other hand, the structure of the optical waveguide becomes considerably complicated, making it difficult to manufacture. Therefore, the optical waveguide is used for transmission of the optical output of each surface emitting laser, and the light control signal for switching the polarization of the light confined in the resonator of the laser device is transmitted from the outside of the upper reflecting mirror in the direction of the axis. You may make it inject along.

例えば偏光双安定面発光レーザを利用した光バッファメモリでは、各面発光レーザの光出力の偏光を切り替えるための光制御信号を共振器に対し入射する必要があるが、上記形態による面発光レーザを用いれば、光制御信号の入射は上部空間から行い、光出力の取り出しは光導波路を用いて行うことができる。それにより、光バッファメモリやこれを利用した全光型シフトレジスタなどのデバイスを構成する際に、上部空間に配置する光学素子を従来よりも減らすことができ、これらデバイスを小形化するのに有利である。また、空間的に配置される光学素子が減ることで、こうしたデバイスの機械的振動に対する信頼性も向上する。   For example, in an optical buffer memory using a polarization bistable surface emitting laser, an optical control signal for switching the polarization of the light output of each surface emitting laser needs to be incident on the resonator. If used, the light control signal can be incident from the upper space, and the light output can be extracted using the optical waveguide. As a result, when configuring devices such as an optical buffer memory and an all-optical shift register using the same, it is possible to reduce the number of optical elements disposed in the upper space as compared with the prior art, which is advantageous for downsizing these devices. It is. Also, the reliability with respect to mechanical vibration of such devices is improved by reducing the number of spatially arranged optical elements.

本発明に係る面発光レーザ装置では、光導波路上に複数の面発光レーザを配置した場合、各面発光レーザの共振器に閉じ込められている偏光の状態に応じて、複数の面発光レーザ間の光結合状態が変化する。したがって、例えば、直線状に延伸する光導波路上に配置された複数の面発光レーザを光結合し、注入同期させることで、各面発光レーザで発振する特定偏光の波長を揃え、高出力のアレイレーザを実現することができる。また、一部の面発光レーザに入射する光制御信号を切り替えて該面発光レーザで発振している偏光を切り替えることで、光導波路上で強く結合する面発光レーザの数が変わり、光導波路を通して取り出される光の出力(エネルギ)を変化させることもできる。
In the surface-emitting laser device according to the present invention, when a plurality of surface-emitting lasers are arranged on the optical waveguide, a plurality of surface-emitting lasers are arranged according to the polarization state confined in the resonator of each surface-emitting laser. The optical coupling state changes. Therefore, for example, a plurality of surface emitting lasers arranged on a linearly extending optical waveguide are optically coupled and injection-locked so that the wavelengths of specific polarized light oscillated by each surface emitting laser are aligned and a high output array is obtained. A laser can be realized. In addition, by switching the light control signal incident on some of the surface emitting lasers and switching the polarized light oscillated by the surface emitting laser, the number of surface emitting lasers that are strongly coupled on the optical waveguide changes, and the light passes through the optical waveguide. The output (energy) of the extracted light can be changed.

また、本発明に係る面発光レーザ装置によれば、光制御信号の偏光に応じて、或る一つの面発光レーザから二つの方向に延伸する光導波路のいずれかに選択的に光を出力する光スイッチを実現することができる。さらにまた、光制御信号の偏光に応じて、或る一つの面発光レーザの共振器に閉じ込められている光を隣接する別の複数の面発光レーザのいずれかに転送するシフトレジスタ機能を実現することができる。
According to the surface emitting laser device of the present invention , light is selectively output from one surface emitting laser to one of the optical waveguides extending in two directions according to the polarization of the light control signal. An optical switch can be realized. Furthermore, a shift register function for transferring light confined in the resonator of one surface emitting laser to any of a plurality of adjacent surface emitting lasers according to the polarization of the light control signal is realized. be able to.

また上述したように発明に用いられるレーザ用反射鏡は低屈折率層を空気層としたエアブリッジ構造を採ることが可能であることから、発明に係る面発光レーザ装置では、前記上部反射鏡として前記レーザ用反射鏡が用いられ、該反射鏡に含まれる2次元格子構造体と活性層との間に位置する低屈折率層が空気層であるエアブリッジ構造を有してなる構成とすることができる。
Further, as described above, the laser reflecting mirror used in the present invention can adopt an air bridge structure in which the low refractive index layer is an air layer. Therefore, in the surface emitting laser device according to the present invention, the upper reflection is performed. The laser reflecting mirror is used as a mirror, and has a structure having an air bridge structure in which a low refractive index layer located between the two-dimensional grating structure and the active layer included in the reflecting mirror is an air layer. can do.

半導体レーザの製造工程では、多数のレーザについて、一括で結晶成長させた層の一部を選択的にエッチングすることで、低屈折率層を空気層としたエアブリッジ構造を形成することは比較的容易である。そのため、コスト上昇を抑えながら上部反射鏡の反射率を高め、レーザの発振効率を高めることができる。   In the manufacturing process of a semiconductor laser, it is relatively difficult to form an air bridge structure in which a low refractive index layer is an air layer by selectively etching a part of a layer in which crystals are grown at once for a large number of lasers. Easy. Therefore, it is possible to increase the reflectance of the upper reflecting mirror and suppress the laser oscillation efficiency while suppressing an increase in cost.

発明に用いられるレーザ用反射鏡によれば、従来のDBRに比べて薄形化しても、高い反射率の偏光無依存の反射鏡を実現することができる。また、発明に用いられるレーザ用反射鏡によれば、空気層を低屈折率層としたエアブリッジ構造を採ることができ、それによって高い反射率を示す反射鏡をより容易に製造することが可能である。さらにまた、発明に用いられるレーザ用反射鏡は、非特許文献5等に記載の2次元周期構造を持つHCGとは異なり、2次元格子構造体の全体にレーザ発振のための電流を流すことができるので効率的な発振に有利であり、その面積も広いため放熱が良好であるという利点を有する。
According to the laser reflecting mirror used in the present invention, it is possible to realize a polarization-independent reflecting mirror having a high reflectance even if it is made thinner than the conventional DBR. Further, according to the laser reflecting mirror used in the present invention, it is possible to adopt an air bridge structure in which the air layer is a low refractive index layer, thereby making it easier to manufacture a reflecting mirror exhibiting a high reflectivity. Is possible. Furthermore, unlike the HCG having a two-dimensional periodic structure described in Non-Patent Document 5, etc., the laser reflector used in the present invention allows a current for laser oscillation to flow through the entire two-dimensional grating structure. Therefore, it is advantageous for efficient oscillation and has an advantage of good heat dissipation because of its large area.

こうしたレーザ用反射鏡を用いた本発明に係る面発光レーザ装置によれば、従来よりも薄形の偏光双安定面発光レーザを実現することができる。また、導波路結合型の構成であるので、面発光レーザの上方空間に配置される光学素子を少なくすることができ、該面発光レーザを用いた光バッファメモリ、全光型シフトレジスタなどのデバイスを薄形化、小形化することができる。また空間的に配置される光学素子が少なくなることで、機械的振動に対し強くなり、信頼性が向上する。また、複数の面発光レーザの光出力同士の光結合を偏光により制御することが可能であるので、高い集積度を実現しながら光のままでの様々な論理演算処理や安定的なバッファリングなどが可能となる。
According to the surface emitting laser device according to the present invention using such a laser reflecting mirror, it is possible to realize a polarization bistable surface emitting laser that is thinner than the conventional one. In addition , since the structure is a waveguide coupling type, it is possible to reduce the number of optical elements disposed in the space above the surface emitting laser, and devices such as an optical buffer memory and an all-optical shift register using the surface emitting laser. Can be made thinner and smaller. Further, since the number of spatially arranged optical elements is reduced, it is strong against mechanical vibration and the reliability is improved. In addition, the optical coupling between the optical outputs of multiple surface emitting lasers can be controlled by polarization, so that various logic operations and stable buffering can be performed while maintaining high light density. Is possible.

本発明に用いられるレーザ用反射鏡の一実施例である偏光無依存HCGの概略斜視構造図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic perspective view of a polarization-independent HCG that is an embodiment of a laser reflector used in the present invention. 図1に示した偏光無依存HCGの一例における反射スペクトルのシミュレーション結果を示す図。The figure which shows the simulation result of the reflection spectrum in an example of polarization independent HCG shown in FIG. 本発明に係るレーザ用反射鏡を用いた偏光双安定面発光レーザの一実施例の概略斜視構造図。1 is a schematic perspective view of an embodiment of a polarization bistable surface emitting laser using a laser reflecting mirror according to the present invention. FIG. 図3に示した偏光双安定面発光レーザを2次元的に配置した場合の概略斜視構造図。FIG. 4 is a schematic perspective view of the polarization bistable surface emitting laser shown in FIG. 3 arranged two-dimensionally. 図3に示した偏光双安定面発光レーザを1次元的に配置した構成における動作説明図。Operation | movement explanatory drawing in the structure which has arrange | positioned the polarization bistable surface emitting laser shown in FIG. 3 one-dimensionally. 図3に示した偏光双安定面発光レーザを2次元的に配置した構成における動作説明図。Operation | movement explanatory drawing in the structure which has arrange | positioned the polarization bistable surface emitting laser shown in FIG. 3 two-dimensionally. 図3に示した偏光双安定面発光レーザを用いた2次元シフトレジスタの構成の一例を示す図。The figure which shows an example of a structure of the two-dimensional shift register using the polarization bistable surface-emitting laser shown in FIG. 図3に示した偏光双安定面発光レーザを用いた2次元シフトレジスタの構成の他の例を示す図。FIG. 4 is a diagram showing another example of the configuration of a two-dimensional shift register using the polarization bistable surface emitting laser shown in FIG. 3. 図3に示した偏光双安定面発光レーザを用いたシフトレジスタの1ビットメモリの動作タイミング図。FIG. 4 is an operation timing chart of a 1-bit memory of a shift register using the polarization bistable surface emitting laser shown in FIG. 3. 試作した偏光無依存HCGのSEM観察像。SEM observation image of the prototype polarization-independent HCG. 試作した偏光無依存HCGの電力反射スペクトルの計算結果を示す図。The figure which shows the calculation result of the power reflection spectrum of the prototype polarization-independent HCG. 試作した偏光無依存HCGの反射率スペクトルの実測結果を示す図。The figure which shows the measurement result of the reflectance spectrum of the prototype polarization-independent HCG. 試作した偏光無依存HCGの、波長1.45[μm]、1.50[μm]及び1.55[μm]における反射率の偏光方向依存性を示す図。The figure which shows the polarization direction dependence of the reflectance in wavelength 1.45 [micrometer], 1.50 [micrometer], and 1.55 [micrometer] of the prototype polarization-independent HCG. 光出力特性計算のために想定した偏光双安定面発光レーザの概略断面図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a polarization bistable surface emitting laser assumed for calculating optical output characteristics. 図14中のMonitor X(及びMonitor Y)における光強度及び電磁界分布の計算結果を示す図。The figure which shows the calculation result of the light intensity and electromagnetic field distribution in Monitor X (and Monitor Y) in FIG. レーザ発振状態での面発光出力に対する光導波路出力のパワー比をメサ部の中心点からの距離dに対して計算した結果を示す図。The figure which shows the result of having calculated the power ratio of the optical waveguide output with respect to the surface emitting output in a laser oscillation state with respect to the distance d from the center point of a mesa part. 距離d=6[μm]のときの計算領域全体の電磁界分布の計算結果を示す図(a)、及びSi層中央での電磁界分布(実線)とメサ部での0次モード分布との計算結果を示す図(b)。The figure (a) which shows the calculation result of the electromagnetic field distribution of the whole calculation area | region at the time of distance d = 6 [micrometer], and the electromagnetic field distribution (solid line) in the Si layer center, and the 0th-order mode distribution in a mesa part The figure which shows a calculation result (b).

まず、本発明に用いられるレーザ用反射鏡の一実施例について、添付図面を参照しつつ説明する。図1は本実施例のレーザ用反射鏡の概略斜視図である。 First, an embodiment of a laser reflector used in the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic perspective view of the laser reflecting mirror of this embodiment.

この反射鏡10は、高屈折率材料からなる2次元周期構造が上面視井桁状である高屈折率差サブ波長グレーティング(HCG)である。具体的には、反射鏡10は、図1中のZ軸方向に、シリコン(Si)等の材料からなる半導体基板11と、該半導体基板11上の低屈折率材料(屈折率nL)からなる低屈折率層12と、該低屈折率層12上に形成された高屈折率材料(屈折率ng)からなる上面視井桁状の2次元格子構造体13と、を有する。低屈折率層12の厚さはTLであり、2次元格子構造体13の厚さはTgである。また、X軸方向、Y軸方向ともに、2次元格子構造体13の格子部の幅はW、格子部のピッチはΛである。即ち、2次元格子構造体13は半導体基板11に直交する軸(Z軸方向に延伸する軸)を中心に90°の回転対称性を有している。したがって、この反射鏡10は、図1中に示すように、上方からZ軸に沿って入射する光の偏光方向に依存しない反射特性を有する、つまりは偏光無依存のHCGであり、例えば、二つの直交する直線偏光Ex(X軸方向に振動)及びEy(Y軸方向に振動)で同じ反射率をもつ。The reflecting mirror 10 is a high refractive index difference sub-wavelength grating (HCG) in which a two-dimensional periodic structure made of a high refractive index material has a top-view girder shape. Specifically, the reflecting mirror 10 includes a semiconductor substrate 11 made of a material such as silicon (Si) and a low refractive index material (refractive index n L ) on the semiconductor substrate 11 in the Z-axis direction in FIG. A low-refractive-index layer 12 and a two-dimensional lattice structure 13 having a top-view girder shape made of a high-refractive-index material (refractive index ng ) formed on the low-refractive-index layer 12. The thickness of the low refractive index layer 12 is T L , and the thickness of the two-dimensional lattice structure 13 is T g . In both the X-axis direction and the Y-axis direction, the width of the lattice portion of the two-dimensional lattice structure 13 is W, and the pitch of the lattice portion is Λ. That is, the two-dimensional lattice structure 13 has a rotational symmetry of 90 ° around an axis orthogonal to the semiconductor substrate 11 (axis extending in the Z-axis direction). Therefore, as shown in FIG. 1, the reflecting mirror 10 is a HCG having a reflection characteristic independent of the polarization direction of light incident along the Z axis from above, that is, polarization-independent HCG. Two orthogonal linearly polarized light Ex (vibrates in the X-axis direction) and Ey (vibrates in the Y-axis direction) have the same reflectance.

図1に示した偏光無依存HCGの特性を確認するために、各パラメータを、Λ=556[nm]、W=178[nm]、Tg=270[nm]、TL=630[nm]、ng=3.5、nL=1、としたときの反射スペクトルを計算機シミュレーションにより求めた。その結果を図2に示す。ここで、計算には、代表的な有限差分時間領域(FDTD=Finite-Difference Time-Domain)法ソフトウエアであるMEEPを用いた。また、境界条件としては、面内方向に周期境界条件、面に直交する方向には吸収境界条件(PML=Perfectly Matched Layer)を用い、入射平面波は図1においてZ軸に沿って上方から入射するようにした。In order to confirm the characteristics of the polarization-independent HCG shown in FIG. 1, the parameters are as follows: Λ = 556 [nm], W = 178 [nm], T g = 270 [nm], T L = 630 [nm] , N g = 3.5, n L = 1, the reflection spectrum was obtained by computer simulation. The result is shown in FIG. Here, MEEP which is typical finite difference time domain (FDTD = Finite-Difference Time-Domain) method software was used for the calculation. As boundary conditions, a periodic boundary condition is used in the in-plane direction, and an absorbing boundary condition (PML = Perfectly Matched Layer) is used in the direction orthogonal to the plane, and the incident plane wave is incident from above along the Z axis in FIG. I did it.

図2で明らかなように、波長0.97[μm]を中心として80[nm]程度の波長範囲で高反射率帯が存在している。これは、DBRで実現可能な高反射率帯幅と同程度である。また、高反射率帯での反射率は99.5%を超えており、面発光レーザ用の反射鏡として充分な反射特性であるといえる。一方、例えば非特許文献1に記載したDBRの厚さは6[μm]であるのに対し、上記例の2次元格子構造体13の厚さTgは270[nm]であって格段に薄い。即ち、本実施例のレーザ用反射鏡は、従来のDBRと同等の反射特性を実現しつつ、格段に薄くすることができる。As is clear from FIG. 2, a high reflectance band exists in a wavelength range of about 80 [nm] centering on a wavelength of 0.97 [μm]. This is comparable to the high reflectivity bandwidth that can be achieved with DBR. Further, the reflectance in the high reflectance band exceeds 99.5%, and it can be said that the reflection characteristics are sufficient as a reflecting mirror for a surface emitting laser. On the other hand, for example, the thickness of the DBR described in Non-Patent Document 1 is 6 [μm], whereas the thickness T g of the two-dimensional lattice structure 13 in the above example is 270 [nm] and is extremely thin. . That is, the laser reflecting mirror of the present embodiment can be made extremely thin while realizing the reflection characteristics equivalent to those of the conventional DBR.

次に、本発明に係る面発光レーザ装置の一実施例として、上述した偏光無依存HCGを用いた偏光双安定面発光レーザについて説明する。図3は本実施例の偏光双安定面発光レーザの概略斜視構造図である。この偏光双安定面発光レーザ30では、活性層を上下から挟む二つの反射鏡としていずれも偏光無依存HCGが用いられている。   Next, a polarization bistable surface emitting laser using the polarization-independent HCG described above will be described as an example of the surface emitting laser apparatus according to the present invention. FIG. 3 is a schematic perspective view of the polarization bistable surface emitting laser of this embodiment. In this polarization bistable surface emitting laser 30, polarization-independent HCG is used as two reflecting mirrors sandwiching the active layer from above and below.

即ち、Si基板21と表面Si層23との間にSiO2層22が挿入された構造であるSOI(Silicon on Insulator)基板20にあって、その表面Si層23に、SiO2層22を低屈折率層として下側反射鏡を構成する2次元格子構造体37、つまりは偏光無依存HCGが形成されている。また、偏光双安定面発光レーザ30が形成されている個所以外の表面Si層23は部分的に除去され、その残された表面Si層23により、レーザ発振により生じた光を伝播させる、断面が略矩形状の光導波路24が形成されている。That is, in the SOI (Silicon on Insulator) substrate 20 having a structure in which the SiO 2 layer 22 is inserted between the Si substrate 21 and the surface Si layer 23, the SiO 2 layer 22 is lowered on the surface Si layer 23. A two-dimensional grating structure 37 constituting the lower reflecting mirror, that is, a polarization-independent HCG is formed as a refractive index layer. Further, the surface Si layer 23 other than the portion where the polarization bistable surface emitting laser 30 is formed is partially removed, and the remaining surface Si layer 23 propagates light generated by laser oscillation. A substantially rectangular optical waveguide 24 is formed.

表面Si層23の上には、SiO2層31を間に挟んで、下から(Si基板21側から)順に、n型インジウム・リン(n−InP)層32、インジウム・リン/インジウム・ガリウム・ヒ素・リン(InP/InGaAsP)層33、p型インジウム・リン(p−InP)層34が設けられ、これにより、ごく薄い半導体層をそれよりもバンドギャップの大きい層で両側から挟み込んだMQW(Multiple Quantum Well)構造の活性領域を形成している。そして、p−InP層34の上にはp型インジウム・ガリウム・ヒ素・リン(p−InGaAsP)層35をスペーサとする空気層36が形成され、その上に該空気層36を低屈折率層として上側反射鏡を構成するp型インジウム・リン(p−InP)層による2次元格子構造体38が形成されている。On the surface Si layer 23, an n-type indium / phosphorus (n-InP) layer 32, indium / phosphorus / indium / gallium, in that order (from the Si substrate 21 side) with the SiO 2 layer 31 in between. An arsenic / phosphorus (InP / InGaAsP) layer 33 and a p-type indium / phosphorus (p-InP) layer 34 are provided so that a very thin semiconductor layer is sandwiched between both sides by a layer having a larger band gap than the MQW. An active region having a (Multiple Quantum Well) structure is formed. An air layer 36 using a p-type indium / gallium / arsenic / phosphorus (p-InGaAsP) layer 35 as a spacer is formed on the p-InP layer 34, and the air layer 36 is formed on the low refractive index layer. As shown, a two-dimensional lattice structure 38 is formed by a p-type indium phosphorus (p-InP) layer constituting the upper reflecting mirror.

図示するように、n−InP層32の下半分よりも上に設けられている各層は上面視で略正方形状になるように加工され、その側面はポリイミドからなる埋込み部39で被覆されている。そして、埋め込み部39よりも上部の2次元格子構造体38であるp−InP層が露出した個所にp電極40が設けられ、n−InP層32の露出した個所にn電極41が設けられることで、1個の偏光双安定面発光レーザ30が形成されている。このp電極40及びn電極41からMQW構造の活性領域中に電流を注入する。これにより、活性領域が光学利得を持ち、下側反射鏡である2次元格子構造体37と上側反射鏡である2次元格子構造体38との間でレーザ発振が生じる。   As shown in the figure, each layer provided above the lower half of the n-InP layer 32 is processed so as to have a substantially square shape when viewed from above, and its side surface is covered with a buried portion 39 made of polyimide. . Then, the p-electrode 40 is provided where the p-InP layer, which is the two-dimensional lattice structure 38 above the embedded portion 39, is exposed, and the n-electrode 41 is provided where the n-InP layer 32 is exposed. Thus, one polarization bistable surface emitting laser 30 is formed. Current is injected from the p electrode 40 and the n electrode 41 into the active region of the MQW structure. As a result, the active region has an optical gain, and laser oscillation occurs between the two-dimensional grating structure 37 that is the lower reflecting mirror and the two-dimensional grating structure 38 that is the upper reflecting mirror.

この活性領域及び上下の反射鏡により形成される共振器において生成されたレーザ光は、振動方向がY軸方向である偏光Ey(90°)と振動方向がX軸方向である偏光Ex(0°)とのいずれかとなる。そして、上述したように、その偏光はZ軸に沿って上方から入射される別の光制御信号の偏光に応じて切り替わる。これは、従来の偏光双安定面発光レーザと同様である。本実施例の偏光双安定面発光レーザの特徴点の一つは、偏光双安定面発光レーザ30の共振器と光導波路24x、24yとが結合しているために、共振器に閉じ込められた光の一部である光出力がZ軸に沿って上方に射出されるとともに、その光出力が光導波路24x、24yにも射出されることである。   The laser light generated in the resonator formed by the active region and the upper and lower reflecting mirrors is polarized light Ey (90 °) whose vibration direction is the Y-axis direction and polarized light Ex (0 °) whose vibration direction is the X-axis direction. ) And either. As described above, the polarization is switched according to the polarization of another light control signal incident from above along the Z axis. This is the same as the conventional polarization bistable surface emitting laser. One of the features of the polarization bistable surface emitting laser of the present embodiment is that the resonator of the polarization bistable surface emitting laser 30 is coupled to the optical waveguides 24x and 24y, and therefore the light confined in the resonator. Is output upward along the Z axis, and the optical output is also output to the optical waveguides 24x and 24y.

この実施例では、光導波路24xはX軸方向に延伸するように、光導波路24yはY軸方向に延伸するようにそれぞれ形成され、その交点の位置に偏光双安定面発光レーザ30が設けられている。そこで、図6、図7及び図8に示すように、互いに直交する光導波路24x、24yを上面視井桁状に形成し、各交点位置にそれぞれ偏光双安定面発光レーザ30(図6では30A1、30A2、…)を配置した偏光双安定面発光レーザアレイ構造とすることができる。   In this embodiment, the optical waveguide 24x is formed so as to extend in the X-axis direction, and the optical waveguide 24y is formed so as to extend in the Y-axis direction, and the polarization bistable surface emitting laser 30 is provided at the intersection. Yes. Therefore, as shown in FIGS. 6, 7 and 8, optical waveguides 24x and 24y orthogonal to each other are formed in a top view girder shape, and polarization bistable surface emitting lasers 30 (in FIG. 6, 30A1, 30A2,...) May be provided as a polarization bistable surface emitting laser array structure.

図4は、X軸方向に延伸する光導波路24x上に2個の偏光双安定面発光レーザ30A、30Bが配置されている状態を示す概略斜視構造図である。図3、図4に示すように、光導波路24xは振動方向がY軸方向である偏光Ey(90°)と強く結合し、他方、光導波路24yは振動方向がX軸方向である偏光Ex(0°)と強く結合する。そのため、例えば図4において、偏光双安定面発光レーザ30Aの共振器内での偏光がEy(90°)であるとき、その偏光の一部は光導波路24xに大きなエネルギを有して出力されるのに対し、光導波路24yには殆ど出力されず無視できる程度である。逆に、偏光双安定面発光レーザ30Aの共振器内での偏光がEx(0°)であるとき、その偏光の一部は光導波路24yに大きなエネルギを有して出力されるのに対し、光導波路24xには殆ど出力されず無視できる程度である。   FIG. 4 is a schematic perspective view showing a state in which two polarization bistable surface emitting lasers 30A and 30B are arranged on the optical waveguide 24x extending in the X-axis direction. As shown in FIGS. 3 and 4, the optical waveguide 24x is strongly coupled to the polarized light Ey (90 °) whose vibration direction is the Y-axis direction, while the optical waveguide 24y is the polarized light Ex ( (0 °) Therefore, for example, in FIG. 4, when the polarization in the resonator of the polarization bistable surface emitting laser 30A is Ey (90 °), a part of the polarization is output with a large energy to the optical waveguide 24x. On the other hand, almost no output is made to the optical waveguide 24y and it can be ignored. Conversely, when the polarization in the resonator of the polarization bistable surface emitting laser 30A is Ex (0 °), a part of the polarization is output with a large energy to the optical waveguide 24y, whereas Almost no output to the optical waveguide 24x is negligible.

即ち、X軸方向又はY軸方向の一方の軸方向に延伸する光導波路24x又は24yに着目すれば、偏光双安定面発光レーザ30Aから該光導波路24x又は24yへの光出力は偏光に応じてオン・オフされることになる。また、両方の光導波路24x、24yに着目すれば、偏光双安定面発光レーザ30Aからそれら光導波路24x、24yへの光出力は偏光に応じて切り替わることになる。上述したように、偏光双安定面発光レーザ30で発振する偏光は外部から供給される光制御信号の偏光により切り替わるから、上記のような光導波路24への光出力のオン・オフや光出力する光導波路24x、24yの切り替えは、偏光双安定面発光レーザ30に入射する光制御信号の偏光によって制御可能である。   That is, when attention is paid to the optical waveguide 24x or 24y extending in one of the X-axis direction and the Y-axis direction, the light output from the polarization bistable surface emitting laser 30A to the optical waveguide 24x or 24y depends on the polarization. It will be turned on and off. If attention is paid to both the optical waveguides 24x and 24y, the light output from the polarization bistable surface emitting laser 30A to the optical waveguides 24x and 24y is switched according to the polarization. As described above, since the polarized light oscillated by the polarization bistable surface emitting laser 30 is switched by the polarization of the light control signal supplied from the outside, the light output to the optical waveguide 24 as described above is turned on / off and the light is output. Switching between the optical waveguides 24x and 24y can be controlled by polarization of a light control signal incident on the polarization bistable surface emitting laser 30.

図5は、図3に示した偏光双安定面発光レーザを1次元的に配置した構成例における動作説明図である。この例では、複数の偏光双安定面発光レーザ30A、30B、…をX軸方向に延伸する1本の光導波路24x上に配置している。図5(a)に示すように、偏光双安定面発光レーザ30Aで発振している偏光がEy(90°)である場合には、偏光双安定面発光レーザ30Aから光導波路24xに光が出力され、隣接する偏光双安定面発光レーザ30Bに入力されることにより、該面発光レーザ30Bの偏光が前段の面発光レーザ30Aの偏光と同じEy(90°)に切り替わる。このような偏光スイッチングが順々に行われ、全ての偏光双安定面発光レーザ30A、30B、…の偏光が同一になる。一方、図5(b)に示すように、各偏光双安定面発光レーザ30Aの偏光がEx(0°)である場合には、偏光双安定面発光レーザ30Aから光導波路24xに光が出力されない。したがって、偏光双安定面発光レーザ30Aにおける偏光がEx(0°)である場合には、隣接する偏光双安定面発光レーザ30Bに光信号が伝送されないことになる。   FIG. 5 is an operation explanatory diagram of a configuration example in which the polarization bistable surface emitting laser shown in FIG. 3 is arranged one-dimensionally. In this example, a plurality of polarization bistable surface emitting lasers 30A, 30B,... Are arranged on one optical waveguide 24x extending in the X-axis direction. As shown in FIG. 5A, when the polarization oscillated by the polarization bistable surface emitting laser 30A is Ey (90 °), light is output from the polarization bistable surface emitting laser 30A to the optical waveguide 24x. Then, by being input to the adjacent polarization bistable surface emitting laser 30B, the polarization of the surface emitting laser 30B is switched to the same Ey (90 °) as that of the preceding surface emitting laser 30A. Such polarization switching is sequentially performed, and the polarization of all the polarization bistable surface emitting lasers 30A, 30B,. On the other hand, as shown in FIG. 5B, when the polarization of each polarization bistable surface emitting laser 30A is Ex (0 °), no light is output from the polarization bistable surface emitting laser 30A to the optical waveguide 24x. . Therefore, when the polarization in the polarization bistable surface emitting laser 30A is Ex (0 °), an optical signal is not transmitted to the adjacent polarization bistable surface emitting laser 30B.

また、全ての偏光双安定面発光レーザ30A、30B、…における偏光を単にEy(90°)に揃えるだけでなく、全ての偏光双安定面発光レーザ30A、30B、…の偏光が揃うことにより注入同期現象が生じ、全ての偏光双安定面発光レーザ30A、30B、…の発振光の波長も同一にすることができる。各偏光双安定面発光レーザ30A、30B、…から光導波路24xに出力される光の波長が同一であると、各々の共振器からZ軸方向に(つまり自由空間に)出射される光が加算され、高出力のレーザ光を得ることができる。   In addition, the polarization in all the polarization bistable surface emitting lasers 30A, 30B,... Is not only aligned to Ey (90 °), but also the polarization of all the polarization bistable surface emitting lasers 30A, 30B,. A synchronization phenomenon occurs, and the wavelengths of oscillation light of all the polarization bistable surface emitting lasers 30A, 30B,... Can be made the same. If the wavelengths of light output from the polarization bistable surface emitting lasers 30A, 30B,... To the optical waveguide 24x are the same, light emitted from each resonator in the Z-axis direction (that is, in free space) is added. As a result, a high-power laser beam can be obtained.

図6は、図3に示した偏光双安定面発光レーザを2次元的に配置した構成例における動作説明図である。この例では、X軸方向に延伸する光導波路24xとY軸方向に延伸する光導波路24yとの交点に複数の偏光双安定面発光レーザ30A1、30B1、…を配置している。図6(a)に示すように、X軸方向の1本の光導波路24x上に配置されている偏光双安定面発光レーザ30A1で発振している偏光がEy(90°)である場合には、光注入により他の偏光双安定面発光レーザ30B1、30C1、…が同一の偏光に切り替わる。このとき、Y軸方向の光導波路24yには光は出力されない。   FIG. 6 is an operation explanatory diagram in a configuration example in which the polarization bistable surface emitting laser shown in FIG. 3 is two-dimensionally arranged. In this example, a plurality of polarization bistable surface emitting lasers 30A1, 30B1,... Are arranged at the intersections of the optical waveguide 24x extending in the X-axis direction and the optical waveguide 24y extending in the Y-axis direction. As shown in FIG. 6A, when the polarized light oscillated by the polarization bistable surface emitting laser 30A1 arranged on one optical waveguide 24x in the X-axis direction is Ey (90 °) The other polarization bistable surface emitting lasers 30B1, 30C1,... Are switched to the same polarization by the light injection. At this time, no light is output to the optical waveguide 24y in the Y-axis direction.

一方、図6(b)に示すように、Y軸方向の1本の光導波路24y上に配置されている偏光双安定面発光レーザ30A1で発振している偏光がEx(0°)である場合には、各偏光双安定面発光レーザ30A1、30A2、…の偏光がEx(0°)に揃う。このとき、X軸方向の光導波路24xには光は出力されない。したがって、この2次元アレイ構成では、1本の光導波路24x又は24y上に配置された全ての偏光双安定面発光レーザの偏光をいずれかに揃えることで、光信号の伝送方向を切り替えることができる。また、上記1次元アレイ構成と同様に、1本の光導波路24x又は24y上に配置された全ての偏光双安定面発光レーザの偏光をいずれかに揃え、発振波長を揃えることで、面発光レーザの共振器から自由空間に直接放射される光の位相を揃え高出力のレーザ光を得ることができる。   On the other hand, as shown in FIG. 6B, the polarized light oscillated by the polarization bistable surface emitting laser 30A1 arranged on one optical waveguide 24y in the Y-axis direction is Ex (0 °). , The polarizations of the polarization bistable surface emitting lasers 30A1, 30A2,... Are aligned at Ex (0 °). At this time, no light is output to the optical waveguide 24x in the X-axis direction. Therefore, in this two-dimensional array configuration, the transmission direction of the optical signal can be switched by aligning the polarizations of all the polarization bistable surface emitting lasers arranged on one optical waveguide 24x or 24y. . Similarly to the one-dimensional array configuration described above, the surface emitting laser can be obtained by aligning the polarizations of all the polarization bistable surface emitting lasers arranged on one optical waveguide 24x or 24y to any one and aligning the oscillation wavelength. It is possible to obtain a high-power laser beam by aligning the phase of the light emitted directly from the resonator to the free space.

図7及び図8は、図3に示した偏光双安定面発光レーザを用いた2次元シフトレジスタの構成例を示す図である。シフトレジスタを構成する1ビットのメモリは、データを保持するメモリ部を有し、該メモリ部へのデータ入力(Data(90°))と、メモリ部の記憶内容をリセットするリセット入力(Reset(0°))と、メモリ部の記憶内容をセットするセット入力(Set(90°))と、を有する。ここでは、偏光双安定面発光レーザは1ビットの情報(「0」又は「1」のデジタル二値情報)を偏光状態として記録する全光型のメモリ部として用いられる。図7に示した構成例は、データ信号光入力、リセット光入力、及びセット光入力がいずれも光導波路を通して行われるものであり、図8に示した構成例は、データ信号光入力及びリセット光入力は光導波路を通して行われ、セット光入力は偏光双安定面発光レーザの上部空間から与えられるものであり、基本的な動作は共通である。   7 and 8 are diagrams showing a configuration example of a two-dimensional shift register using the polarization bistable surface emitting laser shown in FIG. The 1-bit memory constituting the shift register has a memory unit for holding data. Data input to the memory unit (Data (90 °)) and reset input (Reset ( 0 °)) and a set input (Set (90 °)) for setting the memory contents of the memory unit. Here, the polarization bistable surface emitting laser is used as an all-optical memory unit that records 1-bit information (digital binary information of “0” or “1”) as a polarization state. In the configuration example shown in FIG. 7, the data signal light input, the reset light input, and the set light input are all performed through the optical waveguide, and the configuration example shown in FIG. 8 is the data signal light input and the reset light. The input is performed through the optical waveguide, and the set light input is given from the upper space of the polarization bistable surface emitting laser, and the basic operation is common.

図9はシフトレジスタの1ビットメモリの動作タイミング図である。データ信号光の中でメモリ部に記録したいビットに合わせて偏光Ey(90°)であるセット光を入力する。データ信号光は二値の「0」が偏光Ex(0°)、二値の「1」が偏光Ey(90°)である。データ信号光とセット光は合波され、その両者の光強度を加算した強度の光が偏光双安定面発光レーザの共振器に入力される。図9に示すように、いま、偏光双安定面発光レーザの発振偏光がEx(0°)である状態で、データ信号光の中のビットa4を記録したい場合、ビットa4の入力タイミングに同期してセット光を入力すると、合波された偏光Ey(90°)の強度は切替閾値を超える。これにより、発振偏光はEx(0°)からEy(90°)に切り替わる。即ち、データ値「1」が発振偏光Ey(90°)として記録される。FIG. 9 is an operation timing chart of the 1-bit memory of the shift register. In the data signal light, set light having polarization Ey (90 °) is input in accordance with a bit to be recorded in the memory unit. In the data signal light, binary “0” is polarization Ex (0 °), and binary “1” is polarization Ey (90 °). The data signal light and the set light are combined, and the light having the intensity obtained by adding the two light intensities is input to the resonator of the polarization bistable surface emitting laser. As shown in FIG. 9, when it is desired to record bit a 4 in the data signal light with the oscillation polarization of the polarization bistable surface emitting laser being Ex (0 °), the input timing of bit a 4 is When the set light is input in synchronization, the intensity of the combined polarization Ey (90 °) exceeds the switching threshold. As a result, the oscillation polarization is switched from Ex (0 °) to Ey (90 °). That is, the data value “1” is recorded as the oscillation polarization Ey (90 °).

切替閾値を超えるように光強度が設定された偏光Ex(0°)であるリセット光を入力すると、発振偏光はEy(90°)からEx(0°)に切り替わる。その状態で、データ信号光の中のビットb4を記録したい場合、ビットb4の入力タイミングに同期してセット光を入力すると、このときにデータ信号光は零であるから、合波された偏光Ey(90°)の強度は切替閾値を超えない。これにより、発振偏光はEx(0°)に維持され、データ値「0」が発振偏光Ex(0°)として記録されることになる。このようにして、データ信号光が「0」又は「1」のいずれであるかによって、偏光双安定面発光レーザの発振偏光がEx(0°)又はEy(90°)に定まる。When reset light having polarization Ex (0 °) whose light intensity is set so as to exceed the switching threshold is input, the oscillation polarization is switched from Ey (90 °) to Ex (0 °). In this state, when it is desired to record the bit b 4 in the data signal light, if the set light is input in synchronization with the input timing of the bit b 4 , the data signal light is zero at this time, so that it is multiplexed. The intensity of polarized light Ey (90 °) does not exceed the switching threshold. As a result, the oscillation polarization is maintained at Ex (0 °), and the data value “0” is recorded as the oscillation polarization Ex (0 °). In this way, the oscillation polarization of the polarization bistable surface emitting laser is determined as Ex (0 °) or Ey (90 °) depending on whether the data signal light is “0” or “1”.

図7及び図8に示した2次元シフトレジスタでは、偏光双安定面発光レーザが井桁状に組まれた光導波路の交点位置に配置され、さらに各偏光双安定面発光レーザに対しそれぞれ独立にセット光入力が可能となっているので、始めにデータが記録された偏光双安定面発光レーザ(図7、図8中の左上に位置するレーザ)から発振偏光の状態に応じてデータ値を選択的にX軸方向又はY軸方向に隣接する偏光双安定面発光レーザに転送することが可能である。   In the two-dimensional shift register shown in FIG. 7 and FIG. 8, the polarization bistable surface emitting lasers are arranged at the intersections of the optical waveguides assembled in a cross beam shape, and are set independently for each polarization bistable surface emitting laser. Since optical input is possible, the data value is selectively selected according to the state of oscillation polarization from the polarization bistable surface emitting laser (laser located at the upper left in FIGS. 7 and 8) in which data is recorded first. Can be transferred to a polarization bistable surface emitting laser adjacent to the X axis direction or the Y axis direction.

なお、シフトレジスタ動作は図7、図8のいずれの構成でも共通であるが、図8に示すようにセット光入力を面発光レーザの上方から入力するほうが、光導波路が煩雑にならず集積度が向上し、また、光ゲートなどの他の素子を組み込み易いという利点がある。一方、装置の薄形化・小形化という点では図7に示すように、セット光入力を含め全ての光の入出力を基板上で行えるようにしたほうがよい。   The shift register operation is common to both the configurations of FIGS. 7 and 8. However, if the set light input is input from above the surface emitting laser as shown in FIG. There is an advantage that other elements such as an optical gate can be easily incorporated. On the other hand, in terms of thinning and miniaturization of the apparatus, as shown in FIG. 7, it is better to be able to input / output all light including set light input on the substrate.

次に、本願発明者らが実際に試作した偏光無依存HCGの構造とその実測特性について説明する。試作した波長無依存HCGの構造上のパラメータを表1に示す。
HCGの作製手順としては、まずSOI基板の表面に電子線レジストを塗布し、そのレジスト上に電子線描画装置を用いて所定のHCGパターンを形成した後、反応性イオンエッチングを行うことで2次元格子構造体の空隙部分を形成した。試作した偏光無依存HCGのSEM観察像を図10に示す。
Next, the structure of the polarization-independent HCG actually fabricated by the inventors of the present application and the measured characteristics thereof will be described. Table 1 shows the structural parameters of the prototype wavelength-independent HCG.
As a procedure for producing HCG, first, an electron beam resist is applied to the surface of an SOI substrate, a predetermined HCG pattern is formed on the resist using an electron beam drawing apparatus, and then reactive ion etching is performed to perform two-dimensional. A void portion of the lattice structure was formed. An SEM observation image of the prototype polarization-independent HCG is shown in FIG.

図11は、試作した偏光無依存HCGの電力反射スペクトルを、有限差分時間領域法を用いて計算した結果を示す図である。計算の境界条件としては、2次元格子構造体の面内方向には周期境界条件、この面に直交する面直方向には吸収境界条件を用いた。上述したように、偏光無依存HCGの構造は面に直交する軸を中心に90°回転対称性を有しているため、原理的には入射偏光に拘わらず、図11に示したような高反射率波長帯が実現できる筈である。   FIG. 11 is a diagram illustrating a result of calculating a power reflection spectrum of a prototype polarization-independent HCG using a finite difference time domain method. As boundary conditions for the calculation, periodic boundary conditions were used in the in-plane direction of the two-dimensional lattice structure, and absorbing boundary conditions were used in the direction perpendicular to the plane. As described above, the structure of the polarization-independent HCG has 90 ° rotational symmetry about an axis orthogonal to the plane, so that in principle, the high polarization as shown in FIG. A reflectance wavelength band should be realized.

図12は試作した偏光無依存HCGの反射率スペクトルの実測結果である。この実測では、波長帯域の広い光源からの光を直線偏光子を通した後、約100[μm]径に集光して偏光無依存HCGに入射した。そして、その反射光をInGaAsアレイ分光器に導入し、偏光無依存HCGを入射直線偏光に対して30°間隔で以て回転させながらそれぞれ反射率スペクトルを測定した。図12をみると、1.43[μm]〜1.58[μm]の波長帯域において100%に近い高い反射率が得られていることが分かる。   FIG. 12 is an actual measurement result of the reflectance spectrum of the prototype polarization-independent HCG. In this measurement, light from a light source having a wide wavelength band was passed through a linear polarizer, then condensed to a diameter of about 100 [μm], and incident on a polarization-independent HCG. Then, the reflected light was introduced into an InGaAs array spectrometer, and the reflectance spectrum was measured while rotating the polarization-independent HCG at an interval of 30 ° with respect to the incident linearly polarized light. As can be seen from FIG. 12, a high reflectivity close to 100% is obtained in the wavelength band of 1.43 [μm] to 1.58 [μm].

図13は、1.45[μm]、1.50[μm]及び1.55[μm]の各波長における反射率の偏光方向依存性をまとめた結果である。各波長において電力反射率には10%程度の変動がみられる。この変動は主に、偏光無依存HCGを取り付けた台の回転中心と試料の位置とのずれによるものと推測できる。なお、図12で観測される波長1.58[μm]より長波長側での反射率の低下は、測定に用いた分光器の感度の低下に起因するもの(つまりは測定上の制約)であって試作した偏光無依存HCG自体の電力反射率の低下によるものではないと推測できる。
以上の実測結果から、試作した偏光無依存HCGの反射率の偏光依存性は充分に小さいと結論付けることができる。これにより、1.55[μm]の波長帯において偏光無依存である広帯域高反射率特性を実現できることが確認できた。
FIG. 13 shows the results of summarizing the polarization direction dependence of the reflectance at each wavelength of 1.45 [μm], 1.50 [μm], and 1.55 [μm]. There is a fluctuation of about 10% in the power reflectance at each wavelength. This variation can be presumed to be mainly due to the difference between the rotation center of the stage on which the polarization-independent HCG is mounted and the position of the sample. Note that the decrease in reflectance on the longer wavelength side than the wavelength of 1.58 [μm] observed in FIG. 12 is caused by the decrease in sensitivity of the spectrometer used for measurement (that is, measurement limitations). It can be assumed that this is not due to a decrease in power reflectivity of the prototype polarization-independent HCG itself.
From the above measurement results, it can be concluded that the polarization dependence of the reflectance of the prototype polarization-independent HCG is sufficiently small. As a result, it was confirmed that a broadband high reflectivity characteristic independent of polarization in the wavelength band of 1.55 [μm] can be realized.

続いて、図3、図4に示したように、下側反射鏡を構成する2次元格子構造体を介して共振器が光導波路と結合している構造の偏光双安定面発光レーザの光出力特性のシミュレーション計算による検討結果について説明する。
図14はここで想定した偏光双安定面発光レーザの概略断面図である。この偏光双安定面発光レーザでは、下側反射鏡として上述したような偏光無依存HCGを用いる一方、上側反射鏡としてはDBRを用いている。図14には、図3、図4に示した構造における構成要素に相当する部分に同じ符号を付している。即ち、Si基板21と表面Si層23との間にSiO2層22が挿入された構造であるSOI基板20にあって、その表面Si層23に2次元格子構造体37つまり偏光無依存HCG及び光導波路24を形成し、その上にSiO2接合層31を介して活性領域(Active region)が配置されている。そして、その上にはHCGではなくDBRが配置されている。なお、SiO2接合層31と活性領域との間に配置されたDBRは、素子作製時に生じる活性領域の劣化を防止するためのものである。
Subsequently, as shown in FIGS. 3 and 4, the optical output of the polarization bistable surface emitting laser having a structure in which the resonator is coupled to the optical waveguide through the two-dimensional grating structure constituting the lower reflecting mirror. The examination result by the simulation calculation of characteristics will be described.
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of the polarization bistable surface emitting laser assumed here. In this polarization bistable surface emitting laser, the polarization-independent HCG as described above is used as the lower reflecting mirror, while DBR is used as the upper reflecting mirror. In FIG. 14, the same reference numerals are given to the portions corresponding to the components in the structure shown in FIGS. 3 and 4. That is, in the SOI substrate 20 having a structure in which the SiO 2 layer 22 is inserted between the Si substrate 21 and the surface Si layer 23, a two-dimensional lattice structure 37, that is, polarization-independent HCG and An optical waveguide 24 is formed, and an active region is disposed on the optical waveguide 24 via a SiO 2 bonding layer 31. On top of that, DBR is arranged instead of HCG. The DBR disposed between the SiO 2 bonding layer 31 and the active region is for preventing the deterioration of the active region that occurs during device fabrication.

1個の偏光双安定面発光レーザに対応する偏光無依存HCGの格子の周期数は6、光導波路の幅は5.3[μm]である。そして、波長1.55[μm]において反射率が最大になり、共振波長が1.55[μm]になるようにそのほかの構造上のパラメータを最適化した。具体的には、偏光無依存HCGの各パラメータは、Λ=884[nm]、W=178[nm]、Tg=400[nm]、DC(HCGの1周期あたりにSi部分が占める割合)=0.32、TL1=1000[nm]、TL2=540[nm]である。活性領域は、InGa0.24As0.82P(5.4[nm])/InGa0.22As0.48P(8.6[nm])から成る9つの量子井戸及びInPスペーサで構成されており、ゲインは考慮していない。この活性領域下側のDBRは2.5組のInP/InGa0.34As0.74Pから成り、上側DBRは8.5組のInP/InGa0.34As0.74Pと6組のAl0.16GaAs/Al0.90GaAsから成る。さらに、入射光はEx(0°)直線偏光でガウス型の平面波であり、その強度が1/e2になる全幅を3[μm]とした。なお、図14の紙面に直交するy軸方向も、図14に示したものと同じ構造である。The number of periods of the polarization-independent HCG grating corresponding to one polarization bistable surface emitting laser is 6, and the width of the optical waveguide is 5.3 [μm]. The other structural parameters were optimized so that the reflectivity was maximized at a wavelength of 1.55 [μm] and the resonance wavelength was 1.55 [μm]. Specifically, the parameters of polarization-independent HCG are: Λ = 884 [nm], W = 178 [nm], T g = 400 [nm], DC (ratio of Si portion per cycle of HCG) = 0.32, T L1 = 1000 [nm], T L2 = 540 [nm]. The active region is composed of nine quantum wells and InP spacers composed of InGa 0.24 As 0.82 P (5.4 [nm]) / InGa 0.22 As 0.48 P (8.6 [nm]), and gain is not considered. The DBR below the active region is composed of 2.5 pairs of InP / InGa 0.34 As 0.74 P, and the upper DBR is composed of 8.5 pairs of InP / InGa 0.34 As 0.74 P and 6 pairs of Al 0.16 GaAs / Al 0.90 GaAs. Further, the incident light is Ex (0 °) linearly polarized light and a Gaussian plane wave, and the total width at which the intensity becomes 1 / e 2 is 3 [μm]. The y-axis direction orthogonal to the paper surface of FIG. 14 has the same structure as that shown in FIG.

また、光導波路24の出力は、光導波路24の始点からX軸方向に10[μm]離して配置したMonitor X、及び軸方向に10[μm]離して配置したMonitor Y(図示せず)において観測した。一方、計算領域は図14中に太い一点鎖線で示した吸収境界条件で規定しており、計算メッシュの大きさは30[nm]である。ただし、量子井戸など30[nm]以下の領域では各膜層の厚さに相当するメッシュを配置している。そして、計算には、市販の3次元有限差分時間領域シミュレータであるSynopsys社製のFullWAVEを用いた。   The output of the optical waveguide 24 is output from the start point of the optical waveguide 24 by Monitor X arranged 10 [μm] apart in the X-axis direction and Monitor Y (not shown) arranged 10 [μm] apart in the axial direction. Observed. On the other hand, the calculation region is defined by the absorption boundary condition indicated by a thick dashed line in FIG. 14, and the size of the calculation mesh is 30 [nm]. However, in a region of 30 nm or less such as a quantum well, a mesh corresponding to the thickness of each film layer is arranged. For the calculation, FullWAVE manufactured by Synopsys, which is a commercially available three-dimensional finite difference time domain simulator, was used.

図15は、観測位置Monitor X及びMonitor Yにおける光強度及び電磁界分布の計算結果を示す図である。なお、光強度はMonitor Yにおける強度の最大値、電磁界振幅はMonitor YにおけるEx及びHzの最大値で規格化している。この図を見ると、Ex(0°)偏光が入力されたとき、Y軸方向の光導波路を伝搬する光強度はX軸方向の光導波路を伝搬する光強度よりも強いことが分かる。数値計算の結果では、このときX軸方向に比べてY軸方向の光導波路出力の方がパワーは4.5倍大きい。このパワーの差は、偏光によって出力する光導波路を選択できることを示している。また、このシミュレーションによって、両光導波路ともTEモードに近いモードで光が伝搬していることも判明した。   FIG. 15 is a diagram showing the calculation results of the light intensity and the electromagnetic field distribution at the observation positions Monitor X and Monitor Y. The light intensity is normalized by the maximum value of intensity in Monitor Y, and the electromagnetic field amplitude is normalized by the maximum values of Ex and Hz in Monitor Y. From this figure, it is understood that when Ex (0 °) polarized light is input, the light intensity propagating through the optical waveguide in the Y-axis direction is stronger than the light intensity propagating through the optical waveguide in the X-axis direction. As a result of the numerical calculation, the power of the optical waveguide output in the Y-axis direction is 4.5 times larger than that in the X-axis direction. This difference in power indicates that an optical waveguide to be output by polarized light can be selected. This simulation also revealed that light propagated in a mode close to the TE mode in both optical waveguides.

なお、これに続く本発明者の検討によれば、光導波路を単一モードに近いものとすることによって、Y軸方向の光導波路出力とX軸方向の光導波路出力とのパワー比を1:4.5から1:12程度まで拡大可能なことが分かった。このような大きなパワー比を実現することで、Y軸方向の光導波路とX軸方向の光導波路との切り替えや選択を適切に且つ効率的に行うことができ、この偏光双安定面発光レーザがこうした切替えや選択を利用したデバイスに有効であるといえる。   In addition, according to the inventors' subsequent investigation, the power ratio between the optical waveguide output in the Y-axis direction and the optical waveguide output in the X-axis direction is set to 1: by making the optical waveguide close to a single mode. It was found that it was possible to expand from 4.5 to about 1:12. By realizing such a large power ratio, switching and selection between the optical waveguide in the Y-axis direction and the optical waveguide in the X-axis direction can be performed appropriately and efficiently. It can be said that it is effective for a device using such switching and selection.

また、これに類似した構造の偏光双安定面発光レーザにおいて光導波路への結合効率も同じくシミュレーション計算により求めた。ここで想定した偏光双安定面発光レーザの構造は図14に示したものに類似しており、SIO基板のSi層の上にHCG及び光導波路を形成し、その上にSiO2接合層を介して活性領域を配置している。その上のDBRは20組の構造である。偏光無依存HCGのパラメータは、Λ=632[nm]、Tg=443[nm]、DC=0.6、TL1=1425[nm]、TL2=470[nm]、である。これら各パラメータは、波長1.55[μm]において反射率が最大になり、共振波長が1.55[μm]になるように最適化した結果である。活性領域は、In0.76Ga0.24As0.820.18(5.4[nm])/In0.78Ga0.22As0.480.52(8.6[nm])から成る7つの量子井戸及びInPスペーサで構成されており、屈折率はそれぞれ3.51、3.33及び3.17である。Al0.16Ga0.84As/Al0.90Ga0.10AsのDBR (屈折率はそれぞれ3.34、2.96)は最下層の5組を残して、上面視10[μm]□形状のメサ部を形成している。光導波路の始点は、このメサ部の中心位置からの距離dで定義している。In addition, the coupling efficiency to the optical waveguide in a polarization bistable surface emitting laser having a similar structure was also obtained by simulation calculation. The structure of the polarization bistable surface emitting laser assumed here is similar to that shown in FIG. 14, and an HCG and an optical waveguide are formed on the Si layer of the SIO substrate, and an SiO 2 bonding layer is formed thereon. The active area is arranged. The DBR above it is 20 sets of structures. The parameters of the polarization-independent HCG are Λ = 632 [nm], T g = 443 [nm], DC = 0.6, T L1 = 1425 [nm], T L2 = 470 [nm]. Each of these parameters is a result of optimization so that the reflectance is maximized at a wavelength of 1.55 [μm] and the resonance wavelength is 1.55 [μm]. The active region is composed of seven quantum wells and InP spacers made of In 0.76 Ga 0.24 As 0.82 P 0.18 (5.4 [nm]) / In 0.78 Ga 0.22 As 0.48 P 0.52 (8.6 [nm]), and has a refractive index. Are 3.51, 3.33, and 3.17, respectively. Al 0.16 Ga 0.84 As / Al 0.90 Ga 0.10 As DBRs (refractive indices are 3.34 and 2.96, respectively) leave the bottom five layers to form a mesa portion having a 10 [μm] □ shape when viewed from above. The starting point of the optical waveguide is defined by a distance d from the center position of the mesa portion.

また入射光源はメサ部の0次モードの強度分布を有するものとし、これを活性領域上に配置した。面発光レーザの面発光出力及び光導波路の出力は、図14と同様に、DBR上方でDBR最上層からZ軸方向に500[nm]だけ離れたMonitor Oの位置、及び光導波路の始点からX軸方向に5[μm]離れたMonitor Cの位置で観測している。計算領域は吸収境界条件で規定しており、計算メッシュの大きさは50[nm]である。ただし、量子井戸など50[nm]以下の領域には各膜層の厚さに相当するメッシュを配置している。計算には上記例と同様に、Synopsys社製のFullWAVEを用いた。   Further, the incident light source has an intensity distribution of the 0th order mode of the mesa portion, and this is disposed on the active region. Similarly to FIG. 14, the surface emitting output of the surface emitting laser and the output of the optical waveguide are X from the position of Monitor O, which is 500 [nm] away from the DBR top layer in the Z-axis direction above the DBR, and from the start point of the optical waveguide. Observed at the position of Monitor C 5 [μm] away in the axial direction. The calculation area is defined by the absorbing boundary condition, and the size of the calculation mesh is 50 [nm]. However, a mesh corresponding to the thickness of each film layer is arranged in a region of 50 nm or less such as a quantum well. As in the above example, FullWAVE manufactured by Synopsys was used for the calculation.

図16はレーザ発振状態での面発光出力に対する光導波路出力のパワー比を距離dに対して示した図である。なお、各距離dにおいてゲインは閾値ゲインの1.3倍に設定している。発振モードと光導波路とが重なり始める5[μm]付近から短い距離dで光導波路の出力が大きくなっている。距離d=6[μm]ではメサ部と光導波路とは重なっていないものの、光導波路へ光が結合されていることが分かる。これは、レーザ発振モードがHCGの位置においてはX軸方向の閉じ込めが弱く、メサ部の幅よりもやや広がっているためである。   FIG. 16 is a diagram showing the power ratio of the optical waveguide output to the surface emission output in the laser oscillation state with respect to the distance d. The gain is set to 1.3 times the threshold gain at each distance d. The output of the optical waveguide increases at a short distance d from around 5 [μm] where the oscillation mode and the optical waveguide begin to overlap. It can be seen that at the distance d = 6 [μm], the mesa portion and the optical waveguide do not overlap, but light is coupled to the optical waveguide. This is because the confinement in the X-axis direction is weak when the laser oscillation mode is at the HCG position, and is slightly wider than the width of the mesa portion.

図17(a)は距離d=6[μm]のときの計算領域全体の電磁界|Hy|2分布の計算結果、図17(b)はSi層中央でのHy分布(実線)と上面視10[μm]□のメサ部の0次モード分布(点線)の計算結果を示している。図17(b)から、HCG内部におけるHy分布がメサ部の0次モードよりもやや広がっていることが分かる。
これら結果から、ここで検討した光導波路結合型の偏光双安定面発光レーザでは、面直方向のレーザ出力と光導波路への出力と比は、光導波路の始点における共振モードの強度によって決まり、メサ部の端部と光導波路の始点の位置を1[μm]程度の精度で合わせることにより、1〜2%程度の光導波路への出力が得られることが確認できた。これによっても、上述したような偏光双安定面発光レーザを利用したデバイスでは、光導波路を通して充分に出力を伝播可能であることが分かる。
17A shows the calculation result of the electromagnetic field | Hy | 2 distribution in the entire calculation region when the distance d = 6 [μm], and FIG. 17B shows the Hy distribution (solid line) at the center of the Si layer and the top view. The calculation result of the zeroth-order mode distribution (dotted line) of the mesa part of 10 [μm] □ is shown. From FIG. 17B, it can be seen that the Hy distribution inside the HCG is slightly wider than the 0th order mode of the mesa portion.
From these results, in the optical waveguide coupled polarization bistable surface emitting laser studied here, the laser output in the perpendicular direction and the output to the optical waveguide are determined by the intensity of the resonance mode at the starting point of the optical waveguide. It was confirmed that the output to the optical waveguide of about 1 to 2% can be obtained by matching the position of the end of the portion with the position of the start point of the optical waveguide with an accuracy of about 1 [μm]. This also reveals that the device using the polarization bistable surface emitting laser as described above can sufficiently propagate the output through the optical waveguide.

なお、上記実施例はいずれも本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、追加などを行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。   It should be noted that any of the above-described embodiments is an example of the present invention, and it should be understood that modifications, additions, and the like as appropriate within the scope of the present invention are included in the scope of the claims of the present application.

10…反射鏡
11…半導体基板
12…低屈折率層
13…2次元格子構造体
20…SOI基板
21…Si基板
22…SiO2
23…表面Si層
24…光導波路
30…偏光双安定面発光レーザ
31…SiO2
32…n−InP層
33…InP/InGaAsP層
34…p−InP層
35…p−InGaAsP層
36…空気層
37、38…2次元格子構造体
39…埋め込み部
40…p電極
41…n電極
10 ... reflector 11 ... semiconductor substrate 12 ... low-refractive index layer 13 ... two-dimensional grating structure 20 ... SOI substrate 21 ... Si substrate 22 ... SiO 2 layer 23 ... surface Si layer 24 ... optical waveguide 30 ... polarization bistable surface emitting Laser 31 ... SiO 2 layer 32 ... n-InP layer 33 ... InP / InGaAsP layer 34 ... p-InP layer 35 ... p-InGaAsP layer 36 ... air layers 37, 38 ... two-dimensional lattice structure 39 ... buried portion 40 ... p Electrode 41 ... n electrode

Claims (5)

半導体基板と、該半導体基板上に形成された下部反射鏡、該下部反射鏡の上に配置された光を発生する活性層、及び該活性層の上に形成された上部反射鏡、からなる共振器と、を具備する面発光レーザ装置であって、
少なくとも前記下部反射鏡として、第1屈折率を有し平面状に広がる領域を占める低屈折率層と、前記半導体基板上に形成されている一つの半導体層に形成されるとともに、前記低屈折率層の一方の面に接するように配置され、前記第1屈折率よりも大きい第2屈折率を有する材料からなり、該低屈折率層に直交する軸に対して90°の回転対称性を有する井桁状の2次元格子構造体と、を有し、前記軸の方向に沿って入射される任意の偏光を有する光に対し、目的とする波長帯域に亘り反射率が所定以上であるように、前記第1屈折率、前記第2屈折率、前記低屈折率層の厚さ、前記2次元格子構造体の厚さ、該2次元格子構造体の格子のピッチ、及び格子幅を含むパラメータが調整されてなる高屈折率差グレーティング構造による反射鏡が用いられ、
前記2次元格子構造体が形成されている前記半導体層に光を導くための光導波路が、該2次元格子構造体が交点に位置するように井桁状に配設され、
該2次元格子構造体を含む共振器から、互いに異なる振動方向の偏光をそれぞれ異なる方向へと延伸する前記光導波路へと送出可能としたことを特徴とする光導波路結合型の面発光レーザ装置
Resonance comprising a semiconductor substrate, a lower reflecting mirror formed on the semiconductor substrate, an active layer for generating light disposed on the lower reflecting mirror, and an upper reflecting mirror formed on the active layer A surface emitting laser device comprising:
At least the lower reflecting mirror is formed in a low refractive index layer occupying a region having a first refractive index and extending in a planar shape, and one semiconductor layer formed on the semiconductor substrate, and the low refractive index It is arranged so as to be in contact with one surface of the layer, and is made of a material having a second refractive index larger than the first refractive index, and has a rotational symmetry of 90 ° with respect to an axis orthogonal to the low refractive index layer. A grid-like two-dimensional lattice structure, and for the light having an arbitrary polarization incident along the direction of the axis, the reflectance over a target wavelength band is not less than a predetermined value, Parameters including the first refractive index, the second refractive index, the thickness of the low refractive index layer, the thickness of the two-dimensional grating structure, the pitch of the grating of the two-dimensional grating structure, and the grating width are adjusted. Reflector with high refractive index difference grating structure I can,
An optical waveguide for guiding light to the semiconductor layer in which the two-dimensional lattice structure is formed is arranged in a grid shape so that the two-dimensional lattice structure is located at an intersection,
An optical waveguide coupling type surface emitting laser device characterized in that it is possible to transmit polarized light beams having different vibration directions from the resonator including the two-dimensional grating structure to the optical waveguides extending in different directions .
請求項に記載の面発光レーザ装置であって、
前記上部反射鏡としても前記高屈折率差グレーティング構造による反射鏡が用いられ、該反射鏡に含まれる2次元格子構造体と活性層との間に位置する低屈折率層が空気層であるエアブリッジ構造を有してなることを特徴とする面発光レーザ装置。
The surface-emitting laser device according to claim 1 ,
As the upper reflecting mirror, a reflecting mirror having the high refractive index difference grating structure is used, and an air layer is a low refractive index layer located between the two-dimensional grating structure included in the reflecting mirror and the active layer. A surface emitting laser device having a bridge structure.
請求項1又は2に記載の面発光レーザ装置であって、
前記共振器に閉じ込められた光の偏光を切り替えるための光制御信号を、前記上部反射鏡の外側から前記軸の方向に沿って入射するようにしたことを特徴とする面発光レーザ装置。
The surface-emitting laser device according to claim 1 or 2 ,
Said light control signal for switching the polarization of the light confined in the cavity surface emitting laser device being characterized in that so as to incident along the direction of the axis from the outside of the upper reflector.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の面発光レーザ装置が2次元アレイ状に配置され、各面発光レーザ装置に含まれる2次元格子構造体が交点に位置するように光導波路が井桁状に配設されてなる面発光レーザユニットであって、The surface-emitting laser device according to any one of claims 1 to 3 is arranged in a two-dimensional array, and the optical waveguide is arranged so that the two-dimensional grating structure included in each surface-emitting laser device is located at an intersection. A surface emitting laser unit arranged in a shape,
前記光導波路にあって直線状に延伸する光導波路上に配置された複数の面発光レーザ装置を光結合し注入同期させることで、その複数の面発光レーザ装置で発振する特定偏光の波長を揃えて高出力レーザを取り出すようにしたことを特徴とする面発光レーザユニット。A plurality of surface-emitting laser devices disposed on the optical waveguide that are linearly extended in the optical waveguide are optically coupled and injection-locked to align the wavelengths of specific polarizations oscillated by the plurality of surface-emitting laser devices. A surface emitting laser unit characterized in that a high output laser is taken out.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の面発光レーザ装置が2次元アレイ状に配置され、各面発光レーザ装置に含まれる2次元格子構造体が交点に位置するように光導波路が井桁状に配設されてなる面発光レーザユニットであって、The surface-emitting laser device according to any one of claims 1 to 3 is arranged in a two-dimensional array, and the optical waveguide is arranged so that the two-dimensional grating structure included in each surface-emitting laser device is located at an intersection. A surface emitting laser unit arranged in a shape,
共振器に閉じ込められた光の偏光を切り替えるために各面発光レーザ装置に入射される光制御信号により、前記光導波路にあって直線状に延伸する光導波路上に配置された複数の面発光レーザ装置のうちの一部の面発光レーザ装置で発振している偏光を切り替えることで、該光導波路上で強く結合する面発光レーザ装置の数を変化させて、取り出される光の出力を変化させるようにしたことを特徴とする面発光レーザユニット。A plurality of surface emitting lasers disposed on the optical waveguide extending linearly in the optical waveguide according to a light control signal incident on each surface emitting laser device to switch the polarization of light confined in the resonator By switching the polarized light oscillating in some of the surface emitting laser devices, the number of surface emitting laser devices that are strongly coupled on the optical waveguide is changed to change the output of the extracted light. A surface emitting laser unit characterized by the above.
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