JP6943150B2

JP6943150B2 - 半導体光素子

Info

Publication number: JP6943150B2
Application number: JP2017219002A
Authority: JP
Inventors: 卓磨相原; 松尾　慎治; 慎治松尾; 硴塚　孝明; 孝明硴塚; 土澤　泰; 泰土澤; 達郎開
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-11-14
Filing date: 2017-11-14
Publication date: 2021-09-29
Anticipated expiration: 2037-11-14
Also published as: JP2019091780A

Description

本発明は、外部共振器構造の波長可変レーザを備える半導体光素子に関する。

インターネットなどにおける通信トラフィックの増加に伴い、光ファイバ伝送の高速・大容量化が求められている。この要求に対し、コヒーレント光通信技術およびデジタル信号処理技術を利用したデジタルコヒーレント通信技術の開発が進展し、１００Ｇシステムが実用化されている。このような通信システムにおいて、波長可変レーザは、送信用および受信用局発光源として、重要な光デバイスの１つである。

波長可変レーザは、主に半導体から構成された発光部と外部光フィルタを備える外部共振器とで構成され、この光フィルタの光学的な波長特性を熱あるいはキャリアプラズマ効果などにより制御することにより、レーザの発振波長を制御している。これまでに、超周期構造グレーティングや、多重リングフィルタ、ラダーフィルタを用いた波長可変レーザが報告されている（特許文献１参照）。これらは、直接遷移型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を主材料としている。また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の組成を調整し、コアとクラッドに屈折率差を与えることで、光閉じ込めを実現している。

特許第４４０２９１２号公報

しかしながら、上述した技術では、コアとクラッドの屈折率差が小さいことから、光導波路の急峻な曲げや高集積化、ひいては光送受信デバイスの小型化・低コスト化が制限されていた。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、シリコンからなる基板の上により小型な波長可変レーザが形成できるようにすることを目的とする。

本発明に係る半導体光素子は、シリコンからなる基板の上に形成された波長可変レーザを備え、波長可変レーザは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光部と光フィルタを備える外部共振器とから構成され、外部共振器は、基板の上に形成された酸化物からなる下部クラッド層と、下部クラッド層の上に形成された半導体からなるコアと、コアを覆って形成された酸化物からなる上部クラッド層とによる光導波路から構成されている。

上記半導体光素子において、発光部は、活性層および活性層を挟んで配置された電流注入部を備え、発光部は、下部クラッド層の上に形成され、発光部の上には、窒化シリコンからなる中間層を介して上部クラッド層が形成されている。

上記半導体光素子において、光フィルタを構成する光導波路の一部に、導波する光の波長特性を制御するためのヒーターを備える。

上記半導体光素子において、光フィルタを構成する光導波路の端部におけるコアに、不純物がドープされた部分を備えるようにしてもよい。

上記半導体光素子において、コアは、発光部と同じ化合物半導体から構成され、コアと発光部とは、バットカップリングにより光学的に接続され、コアの幅は、コアと発光部との接続部分から光の進行方向に沿って細くなるように形成されている。

上記半導体光素子において、光出力端におけるコアは、光出力端に近づくほど細くなる先細りの形状とされた先端部を備え、先端部と上部クラッド層との間に配置されて先端部を覆って形成された第２コアを備え、第２コアは、コアより小さく上部クラッド層より大きな屈折率の材料から構成されている。

上記半導体光素子において、光フィルタは、ラティスフィルタおよびリングフィルタから構成されている。ラティスフィルタは、光学的に多段に接続された複数の遅延干渉フィルタから構成され、複数の遅延干渉フィルタから構成された各段の遅延長は互いに異なるものとされていてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、外部共振器の光導波路を、酸化物からなる下部クラッド層および上部クラッド層から構成したので、シリコンからなる基板の上により小型な波長可変レーザが形成できるという優れた効果が得られる。

図１Ａは、本発明の実施の形態における半導体光素子の一部構成を示す断面図である。図１Ｂは、本発明の実施の形態における半導体光素子の一部構成を示す断面図である。図１Ｃは、本発明の実施の形態における半導体光素子の一部構成を示す断面図である。図１Ｄは、本発明の実施の形態における半導体光素子の一部構成を示す断面図である。図１Ｅは、本発明の実施の形態における半導体光素子の構成を示す平面図である。図２Ａは、ラティスフィルタ１３１の透過スペクトルの計算結果を示す特性図である。図２Ｂは、ラティスフィルタ１３１の透過スペクトルの計算結果を示す特性図である。図２Ｃは、リングフィルタ１３３の透過スペクトルの計算結果を示す特性図である。図２Ｄは、リングフィルタ１３３の透過スペクトルの計算結果を示す特性図である。図３は、終端部の一部構成を示す平面図である。図４は、コア１０５からなる光導波路と発光部１０３とがバットカップリングしている状態を示す平面図である。図５Ａは、外部共振器に設ける光フィルタの一部構成を示す断面図である。図５Ｂは、外部共振器に設ける光フィルタの一部構成を示す断面図である。図６Ａは、光出力端におけるスポットサイズ変換構造の構成を示す平面図である。図６Ｂは、光出力端におけるスポットサイズ変換構造の構成を示す断面図である。図６Ｃは、光出力端におけるスポットサイズ変換構造の構成を示す断面図である。図６Ｄは、光出力端におけるスポットサイズ変換構造の構成を示す断面図である。図７Ａは、外部共振器に配置する光フィルタの構成例を示す平面図である。図７Ｂは、外部共振器に配置する光フィルタの構成例を示す平面図である。図７Ｃは、外部共振器に配置する光フィルタの構成例を示す平面図である。図７Ｄは、外部共振器に配置する光フィルタの構成例を示す平面図である。図７Ｅは、外部共振器に配置する光フィルタの構成例を示す平面図である。図７Ｆは、外部共振器に配置する光フィルタの構成例を示す平面図である。図７Ｇは、外部共振器に配置する光フィルタの構成例を示す平面図である。図７Ｈは、外部共振器に配置する光フィルタの構成例を示す平面図である。図７Ｉは、外部共振器に配置する光フィルタの構成例を示す平面図である。図７Ｊは、外部共振器に配置する光フィルタの構成例を示す平面図である。図８Ａは、終端部の一部構成を示す平面図である。図８Ｂは、終端部の一部構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態における半導体光素子ついて図１Ａ〜図１Ｅを参照して説明する。なお、図１Ａは、光が導波する方向に平行な断面を示している。また、図１Ｂ〜図１Ｄは、光が導波する方向に垂直な断面を示している。この半導体光素子は、単結晶シリコンからなる基板１０１の上に形成された波長可変レーザ１０２を備える。波長可変レーザ１０２は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光部１０３と光フィルタを備える外部共振器１０３ａ，１０３ｂとから構成されている。

外部共振器１０３ａ，１０３ｂは、基板１０１の上に形成された酸化物からなる下部クラッド層１０４と、下部クラッド層１０４の上に形成された半導体からなるコア１０５と、コア１０５を覆って形成された酸化物からなる上部クラッド層１０６とによる光導波路から構成されている。

下部クラッド層１０４は、例えば、酸化シリコンから構成され、厚さ３μｍ程度とされている。例えば、シリコンからなる基板１０１の表面を熱酸化することで、下部クラッド層１０４を形成すればよい。コア１０５は、例えば、ＩｎＰから構成されていればよい。上部クラッド層１０６は、例えば、酸化シリコンから構成され、厚さ３μｍ程度とされている。

発光部１０３は、下部クラッド層１０４の上に形成され、活性層１０７および活性層１０７を挟んで配置された電流注入部１０８，電流注入部１０９を備える。活性層１０７および電流注入部１０８，電流注入部１０９は、例えば、ＩｎＰから構成されている。活性層１０７は、例えば、バルクのＩｎＰから構成されている。また、活性層１０７は、ＩｎＧａＡｓＰあるいはＩｎＧａＡｌＡｓからなる厚さ１００ｎｍ程度の多重量子井戸構造とされていてもよい。

電流注入部１０８は、例えば、ｐ型の不純物が導入されてｐ型とされ、電流注入部１０９は、例えば、ｎ型の不純物が導入されてｎ型とされている。電流注入部１０８，電流注入部１０９は、例えば、より高濃度に不純物が導入された化合物半導体からなるコンタクト層１１３，コンタクト層１１４を介して電極１１１，電極１１２に接続している。なお、図１Ｂに示した例では、所謂横方向電流注入型の埋め込み活性層構造としているが、これに限るものではない。基板１０１の表面の法線方向に、２つの電流注入部で活性層を挟む構成としてもよい。

また、外部共振器１０３ｂの一部においては、図１Ｄに示すように、上部クラッド層１０６の上に金属層からなるヒーター１１７が形成され、導波している（透過する）光の波長特性を制御する光フィルタを構成している。なお、発光部１０３と、外部共振器１０３ａ，１０３ｂの光導波路とは、バットジョイントにより光学的に接続されている。

また、実施の形態では、発光部１０３，コア１０５の上には、窒化シリコンからなる中間層１１５が形成されている。中間層１１５は、化合物半導体から構成されている発光部１０３，コア１０５の上に接して形成され、中間層１１５を介してこれらの上に上部クラッド層１０６が形成されている。このように、上部クラッド層１０６との界面に窒化シリコンからなる中間層１１５を設けることで、界面リーク電流を抑え、効率的な光増幅が可能となる。

例えば、コア１０５，活性層１０７，電流注入部１０８，電流注入部１０９などの化合物半導体による層のパターニングに用いた窒化シリコンからなるマスク層を、パターニングの後で除去せずに残しておけば、中間層１１５として用いることができる。

実施の形態によれば、光フィルタを備える外部共振器１０３ａ，１０３ｂにおいて、下部クラッド層１０４，上部クラッド層１０６を、酸化シリコンなどの酸化物から構成したので、ＩｎＰなどの化合物半導体からなるコア１０５や活性層１０７との間の屈折率差が大きい。このため、コア１０５や活性層１０７に高い光閉じ込めが可能となる。外部共振器１０３ａ，１０３ｂにおける光導波路の急峻な曲げや高集積化、ひいては光フィルタの小型化が可能となる。また、単位長さあたりの利得が高まり、発光部１０３の導波方向の長さを、より短くすることが可能となる。

ここで、外部共振器１０３ｂは、例えば、図１Ｅに示すように、ラティスフィルタ１３１と、多モード干渉計（ＭＭＩ）１３２、リングフィルタ１３３などを備えて構成することができる。これらは、光学的に接続されている。ラティスフィルタ１３１は、遅延干渉フィルタが多段に接続された構成であり、この遅延長により、自由スペクトル範囲（Free Spectral Range；ＦＳＲ）が決定できる。なお、共振器の共鳴周波数は、一般に複数存在し、これらの共鳴周波数の間隔が、ＦＳＲと呼ばれる。

また、ラティスフィルタ１３１のアームをヒーター１１７により加熱することにより、透過ピーク波長を変えることができ、大きな波長可変範囲を持つ光フィルタとして用いられる。リングフィルタ１３３は、一定の周波数間隔で透過率が変化し、波長ロック用の光フィルタとして用いられる。上述した構成の波長可変レーザに光フィルタは、出力させたい発振周波数間隔と一致するＦＳＲを持つ波長ロック用のリングフィルタ１３３と、大きな波長可変範囲を持つラティスフィルタ１３１とを組み合わせた構成としている。

図２Ａ，図２Ｂに、ラティスフィルタ１３１の透過スペクトル、図２Ｃ，図２Ｄに、リングフィルタ１３３の透過スペクトルの計算結果を示す。リングフィルタ１３３において、非共振波長の光は、ポート１３３ａに出力される。このような終端とするポート１３３ａを構成する光導波路のコア端面が例えば、垂直に寸断されている場合は、この端面で光が反射して迷光となり、光フィルタの波長特性が劣化する。これは、レーザの発振モードの不安定性の原因となる。ポート１３３ａが先細りとなり、光導波路から光が放射される場合においても、放射した光が光フィルタを構成する外部共振器１０３ｂあるいは発光部１０３に入射するなどのクロストークにより、予期しないレーザの特性劣化が生じる可能性がある。

ここで、図３に示すように、光導波路の端部となる部分のコア１０５ａに、ｐ型不純物をドーピングしておくことで、上述した光の反射が抑制できるようになる。コア１０５ａに導入するｐ型不純物は、電流注入部１０８に導入したｐ型不純物と同じものとすればよい。例えば、ｐ型のＩｎＰは、光吸収係数が高いため、コア１０５ａにおいて消光させることが可能となる。コア１０５ａのコア長は、不純物濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3で２０ｃｍ^-1であることを考え、５００μｍ程度とし、また、ドーピング濃度は５×１０¹⁸ｃｍ^-3程度とすればよい。これにより、２０ｄＢ程度の消光が可能となる。なお、コア１０５ａは、面積の節約のため、直線ではなく蛇行あるいは渦状に折り返した形状とするとよい。ラティスフィルタ１３１やＭＭＩ１３２の不要なポートに関しても同様の方策を施すとよい。

ラティスフィルタ１３１の透過スペクトル帯域幅を狭めることにより、実施の形態における波長可変レーザ１０２を安定に波長可変動作させることができる。透過スペクトル帯域幅を狭めるためには、遅延長を大きく（回折次数を大きく）すればよいが、同時にＦＳＲが小さくなってしまい２つ以上の波長で同時に発振する問題が生じる。従って、１つのモードで安定に発振させるためには、透過帯域幅を広げることなく所望の回折次数以外の透過率を小さくすることが必要となる。遅延干渉計の各段の遅延長、すなわち各段の回折次数を同じではなく、互いに異なる値にすることで、これが可能となる。

光フィルタを備える外部共振器１０３ａ，１０３ｂのコア１０５を形成するためのＩｎＰは、発光部１０３を形成するために再成長したアンドープのＩｎＰを併用すればよい。平面視で幅広のコア１０５からなる光導波路と発光部１０３とがバットカップリングし、図４に示すように、ＩｎＰからなるコア１０５の幅は、コア１０５と発光部１０３との接続部分から光の進行方向に沿って平面視で細められている。発光部１０３が薄層のため、シングルモード条件を満たすコア１０５（層厚２００ｎｍ程度）を発光部１０３と同じＩｎＰの層で併設できる。幅広にする理由は、発光部１０３の光モードとコア１０５との光モード形状を近づけ、両者の光結合効率を上げるためである。

また、外部共振器に設ける光フィルタは、シリコンコアによる光導波路から構成してもよい。この場合、図５Ａ，図５Ｂに示すように、下部クラッド層１０４の中にシリコンコア１１８を形成し、発光部１０３と光学的に結合させるようにすればよい。図５Ａに示すように、外部共振器のコアより続く幅を狭くした先端部１０５ｂの下方にシリコンコア１１８を配置したスポットサイズ変換領域において、先端部１０５ｂによる光導波路を導波する光が、シリコンコア１１８による光導波路に光学的に結合する。また、図５Ｂに示すように、光フィルタとなる領域では、上部クラッド層１０６の上にヒーター１１７を配置する。

また、チップ端（光出力端）におけるコア１０５は、図６Ａに示すように、スポットサイズ変換領域において、光出力端に近づくほど細くなる先細りの形状とされた先端部１０５ｂを備えるようにしてもよい。スポットサイズ変換領域では、先端部１０５ｂと上部クラッド層１０６との間に配置されて先端部１０５ｂを覆って形成された第２コア１１９を備える。スポットサイズ変換領域において、コア１０５による光導波路を導波する光が、第２コア１１９による光導波路に光学的に結合する。第２コア１１９は、コア１０５より小さく上部クラッド層１０６より大きな屈折率の材料から構成されている。第２コア１１９による光導波路が、光ファイバなどに光接続される。このスポットサイズ変換構造を用いることで、レーザ光を高い外部量子効率で光ファイバなどに取り出すことができる。

また、上述した実施の形態では、外部共振器に配置する光フィルタとして、図１Ｅを用いて説明したように、ラティスフィルタ１３１とリングフィルタ１３３と用いるようにしたが、これに限るものではない。図７Ａに示すように、リングフィルタ１３３を直列に接続し、光出力端に端面ミラー１３４を設ける構成としてもよい。この場合、リングフィルタ１３３にヒーター１１７を装荷する。また、図７Ｂに示すように、ラティスフィルタ１３１とリングフィルタ１３３とを方向性結合器１３２ａで接続する構成としてもよい。

また、図７Ｃに示すように、ラティスフィルタ１３１とリングフィルタ１３３とを直列に接続し、光出力端に端面ミラー１３４を設ける構成としてもよい。また、図７Ｄに示すように、２つのリングフィルタ１３３をＭＭＩ１３２で接続する構成としてもよい。この場合も、リングフィルタ１３３にヒーター１１７を装荷する。

また、図７Ｅに示すように、外部共振器１０３ａにラティスフィルタ１３１を配置し、外部共振器１０３ｂにＭＭＩ１３２でリングフィルタ１３３を接続してもよい。また、図７Ｆに示すように、発光部１０３の側にリングフィルタ１３３を接続し、この先にラティスフィルタ１３１を接続し、この光出力端に端面ミラー１３４を設けてもよい。

また、図７Ｇに示すように、外部共振器１０３ａにリングフィルタ１３３を配置し、外部共振器１０３ｂにラティスフィルタ１３１を配置し、この光出力端にループミラー１３５を設けてもよい。また、図７Ｈに示すように、外部共振器１０３ａにリングフィルタ１３３を配置し、外部共振器１０３ｂにラティスフィルタ１３１を配置し、この光出力端に端面ミラー１３４を設けてもよい。

また、図７Ｉに示すように、発光部１０３の側にＮ次リングフィルタ１３６を接続し、この先に、リングフィルタ１３３をＭＭＩ１３２で接続する構成としてもよい。この場合、Ｎ次リングフィルタ１３６にヒーター１１７を装荷する。また、図７Ｊに示すように、発光部１０３の側にＡＷＧ（Arrayed-Waveguide-Grating）１３７を接続し、この先に、リングフィルタ１３３をＭＭＩ１３２で接続する構成としてもよい。この場合、ＡＷＧ１３７にヒーター１１７を装荷する。

また、上述した実施の形態では、ヒーターの熱により波長変化を生じさせる構成としたが、これに限るものではない。例えば、ＩｎＰなどの化合物半導体からなる光導波路におけるキャリアプラズマ効果を利用して波長変化を生じさせるようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、波長可変のためのヒーターをラティスフィルタのみに装荷する構造で説明したが、これに限るものではない。例えば、ラティスフィルタに加えてリングフィルタにもヒーターを装荷し、細かな波長の調整が実施できる構成としてもよい。

また、上述した実施の形態では、終端処理の方法として、化合物半導体のコアにｐ型の不純物を導入するようにしたが、これに限るものではない。終端部となるポートの部分のコアを、コンタクト層などに用いられる高濃度に不純物を導入したＩｎＧａＡｓから構成してもよい。また、終端部となるポートの部分のコアを、発光部と同様の多重量子井戸構造としてもよい。また、これらを全て用い、図８Ａ、図８Ｂに示すように、終端部となるコア１０５ｃを、ｐ型のＩｎＰ層１５１，多重量子井戸層１５２，ｐ型のＩｎＰ層１５３，ＩｎＧａＡｓ層１５４の積層構造としてもよい。なお、終端部となるコア１０５ｃは、コア１０５とバットカップリングされる。

また、上述した実施の形態では、シリコンからなる基板上の波長可変光源について述べたが、これに、ブースター光増幅器を集積してもよい。この場合、同一のシリコン基板上にモノリシック集積する構成としてもよく、また、シリコン基板外にハイブリッド集積する構成としてもよい。

以上に説明したように、本発明によれば、外部共振器の光導波路を、酸化物からなる下部クラッド層および上部クラッド層から構成したので、シリコンからなる基板の上により小型な波長可変レーザが形成できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…基板、１０２…波長可変レーザ、１０３…発光部、１０３ａ…外部共振器、１０３ｂ…外部共振器、１０４…下部クラッド層、１０５…コア、１０６…上部クラッド層、１０７…活性層、１０８…電流注入部、１０９…電流注入部、１１１…電極、１１２…電極、１１３…コンタクト層、１１４…コンタクト層、１１５…中間層、１１７…ヒーター。

Claims

シリコンからなる基板の上に形成された波長可変レーザを備え、
前記波長可変レーザは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光部と光フィルタを備える外部共振器とから構成され、
前記外部共振器は、
前記基板の上に形成された酸化物からなる下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成された半導体からなるコアと、
前記コアを覆って形成された酸化物からなる上部クラッド層と
による光導波路から構成され、
前記発光部は、活性層および前記活性層を挟んで配置された電流注入部を備え、
前記発光部は、前記下部クラッド層の上に形成され、
前記発光部の上には、窒化シリコンからなる中間層を介して前記上部クラッド層が形成されていることを特徴とする半導体光素子。
請求項１記載の半導体光素子において、
前記光フィルタを構成する光導波路の一部に、導波する光の波長特性を制御するためのヒーターを備える
ことを特徴とする半導体光素子。
請求項１または２記載の半導体光素子において、
前記光フィルタを構成する光導波路の端部における前記コアに、不純物がドープされた部分を備えることを特徴とする半導体光素子。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体光素子において、
前記コアは、前記発光部と同じ化合物半導体から構成され、
前記コアと前記発光部とは、バットカップリングにより光学的に接続され、
前記コアの幅は、前記コアと前記発光部との接続部分から光の進行方向に沿って細くなるように形成されている
ことを特徴とする半導体光素子。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体光素子において、
光出力端における前記コアは、前記光出力端に近づくほど細くなる先細りの形状とされた先端部を備え、
前記先端部と前記上部クラッド層との間に配置されて前記先端部を覆って形成された第２コアを備え、
前記第２コアは、前記コアより小さく前記上部クラッド層より大きな屈折率の材料から構成されている
ことを特徴とする半導体光素子。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体光素子において、
前記光フィルタは、ラティスフィルタおよびリングフィルタから構成されていることを特徴とする半導体光素子。
請求項６記載の半導体光素子において、
前記ラティスフィルタは、
光学的に多段に接続された複数の遅延干渉フィルタから構成され、
前記複数の遅延干渉フィルタから構成された各段の遅延長は互いに異なる
ことを特徴とする半導体光素子。