JP6996183B2 - Semiconductor optical device - Google Patents

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Description

本発明は、光送信器用光源などに利用される半導体光素子の構造に関する。より詳細には、半導体レーザと光変調器を集積した変調器集積光源に用いられる半導体光素子に関する。 The present invention relates to the structure of a semiconductor optical element used as a light source for an optical transmitter or the like. More specifically, the present invention relates to a semiconductor optical element used in a modulator integrated light source in which a semiconductor laser and an optical modulator are integrated.

インターネットの普及に伴うネットワークトラフィック量の爆発的な増大により、光ファイバ伝送の高速・大容量化が著しい。半導体レーザは、光ファイバ通信を支える光源デバイスとして発展を続けてきた。特に、分布帰還型(Distributed Feedback:DFB)半導体レーザによる単一モード光源の実現は、時分割多重方式、及び波長分割多重(Wavelengh Division Multiplexing:WDM)方式による光ファイバ通信の高速化、大容量化に大きく寄与してきた。 Due to the explosive increase in the amount of network traffic accompanying the spread of the Internet, the speed and capacity of optical fiber transmission have increased significantly. Semiconductor lasers have continued to develop as light source devices that support optical fiber communication. In particular, the realization of a single-mode light source using a distributed feedback (DFB) semiconductor laser is to increase the speed and capacity of optical fiber communication by the time division multiplexing method and the wavelength division multiplexing (WDM) method. Has greatly contributed to.

近年、光通信はコアネットワークやメトロネットワーク等のテレコム領域に限らず、データセンタ間、ラック間、さらにはボード間の短距離のデータ通信にも適用されている。例えば、100GbitイーサネットはWDM型の多波長アレイ光源の構成を用いて標準化されており、短距離光通信の大容量化が急速に進んでいる。これらの背景に際し、光送信器の高速化かつ低消費電力化は必須であり、集積されたレーザ光源からの光を電気信号で変調して出力する高性能な変調光源として、変調器集積型半導体レーザが進展してきた。 In recent years, optical communication is applied not only to telecom areas such as core networks and metro networks, but also to short-distance data communication between data centers, racks, and boards. For example, 100 Gbit Ethernet has been standardized using the configuration of a WDM type multi-wavelength array light source, and the capacity of short-range optical communication is rapidly increasing. Against this background, it is essential to increase the speed and reduce the power consumption of the optical transmitter, and as a high-performance modulation light source that modulates the light from the integrated laser light source with an electric signal and outputs it, a modulator integrated semiconductor. Lasers have advanced.

特に単一モードDFBレーザと電界吸収(ElectroAbsorption:EA)型光変調器を同一基板上にモノリシックに集積したEA-DFBレーザは、小型でかつ消費電力が低く、40Gbit/sを超える高速変調が可能であるため(非特許文献1)、100km以下の比較的短距離用の光送信器として実用化されている。2017年現在、400Gbitイーサネットの標準化が整いつつあり、50Gbit/s級のPAM(Pulse Amplitude Moduation)に対応可能なEA-DFBレーザも望まれるところである。 In particular, the EA-DFB laser, which monolithically integrates a single-mode DFB laser and an electric field absorption (EA) type optical modulator on the same substrate, is compact, has low power consumption, and is capable of high-speed modulation exceeding 40 Gbit / s. Therefore (Non-Patent Document 1), it has been put into practical use as an optical transmitter for a relatively short distance of 100 km or less. As of 2017, the standardization of 400 Gbit Ethernet is being completed, and an EA-DFB laser capable of supporting 50 Gbit / s class PAM (Pulse Amplitude Modulation) is also desired.

W. Kobayashi et al., “Design and Fabrication of 10-/40-Gb/s, Uncooled Electroabsorption Modulator Integrated DFB Laser With Butt-Joint Structure,”IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 28, no.1, pp.164-171, 2010W. Kobayashi et al., “Design and Fabrication of 10- / 40-Gb / s, Uncooled Electroabsorption Modulator Integrated DFB Laser With Butt-Joint Structure,” IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 28, no.1, pp. 164-171, 2010 D. A. B. Miller et al., “Electric field dependence of optical absorption near the band gap of quantum-well structures”, Physical Review, vol. B32, pp. 1043-1060, 1985.D. A. B. Miller et al., “Electric field dependence of optical absorption near the band gap of quantum-well structures”, Physical Review, vol. B32, pp. 1043-1060, 1985.

EA変調器は、変調される光の通過する光導波路コアとなる量子井戸活性層に、変調電気信号による電界を与えたときの光吸収係数の変化により光変調動作する。 The EA modulator operates by photomodulation due to a change in the light absorption coefficient when an electric field due to a modulated electric signal is applied to a quantum well active layer which is an optical waveguide core through which the modulated light passes.

図1(a)に一般的な従来のEA変調器の基板断面図を示す。図1(a)において、変調される光は、基板面内方向(紙面に垂直な方向ないし紙面内の左右方向)に量子井戸層(コア層、活性層)1を通過するものとする。 FIG. 1A shows a cross-sectional view of a board of a general conventional EA modulator. In FIG. 1A, the modulated light is assumed to pass through the quantum well layer (core layer, active layer) 1 in the in-plane direction of the substrate (direction perpendicular to the paper surface or left-right direction in the paper surface).

量子井戸層1は、バンドギャップの大きい材料で構成されたバリア層とバンドギャップの小さい材料で構成された井戸層を、交互に周期的に複数積層した多層構造である。この量子井戸層1(通常は非ドープの真性半導体であり、i型と表現される)の上下に、p型クラッド層(例えばp-InP)2、n型クラッド層(例えばn-InP)3を配置した3層で、pin半導体構造が形成されている。半導体構造を挟んで面対向する上下の電極により、変調信号源41からの変調電気信号とともに逆バイアスで、上下方向(量子井戸層1に垂直な方向)に電界が印加される。このようにして、量子井戸層1を通過する光に対する光吸収係数が制御され、光が変調される。 The quantum well layer 1 is a multi-layer structure in which a barrier layer made of a material having a large bandgap and a well layer made of a material having a small bandgap are alternately and periodically laminated. Above and below this quantum well layer 1 (usually a non-doped intrinsic semiconductor, expressed as i-type), a p-type clad layer (for example, p-InP) 2 and an n-type clad layer (for example, n-InP) 3 A pin semiconductor structure is formed by three layers in which the above are arranged. An electric field is applied in the vertical direction (direction perpendicular to the quantum well layer 1) in the vertical bias together with the modulated electric signal from the modulated signal source 41 by the upper and lower electrodes facing each other across the semiconductor structure. In this way, the light absorption coefficient for the light passing through the quantum well layer 1 is controlled, and the light is modulated.

図1(b)は印加する電界がゼロの場合(実線)と所定の電界を印加した場合(点線)の、上記量子井戸構造のEA変調器の吸収係数(光吸収スペクトル)の変化を示す図である。量子井戸構造の光吸収スペクトルは、バンド間遷移波長に対応するバンド間吸収(図1(b)の「バンド端」の左側区間)と、その長波長側にある励起子吸収ピークからなる。 FIG. 1B is a diagram showing changes in the absorption coefficient (light absorption spectrum) of the EA modulator having the quantum well structure when the applied electric field is zero (solid line) and when a predetermined electric field is applied (dotted line). Is. The light absorption spectrum of the quantum well structure consists of the interband absorption corresponding to the interband transition wavelength (the left section of the "band end" in FIG. 1 (b)) and the exciton absorption peak on the long wavelength side thereof.

電界を印加すると、量子井戸層1内のキャリアの局在により光吸収スペクトルの励起子吸収ピークが低下し、さらに実効的なバンドギャップが縮小することにより吸収スペクトルが長波長シフトする、いわゆる量子閉じ込めシュタルク(QCSE)効果が生じる。したがって、レーザの動作波長を励起子吸収波長よりも長波長側に設定することにより、電界印加に伴い吸収係数が増大し、強度変調動作が可能となる。 When an electric field is applied, the exciton absorption peak of the light absorption spectrum is lowered due to the localization of carriers in the quantum well layer 1, and the effective band gap is further reduced to shift the absorption spectrum by a long wavelength, that is, so-called quantum confinement. A Stark (QCSE) effect is produced. Therefore, by setting the operating wavelength of the laser to a longer wavelength side than the exciton absorption wavelength, the absorption coefficient increases with the application of the electric field, and the intensity modulation operation becomes possible.

図2に、一般的なEA-DFBレーザの、光導波路コア層に沿った基板断面図を示す。EA-DFBレーザ素子10は、光導波路コア層に沿って電界吸収変調器領域8とレーザ領域9により構成され、レーザ領域9で発生したレーザ光が電界吸収変調器領域8で変調されて出力光となる。 FIG. 2 shows a cross-sectional view of a substrate of a general EA-DFB laser along an optical waveguide core layer. The EA-DFB laser element 10 is composed of an electric field absorption modulator region 8 and a laser region 9 along the optical waveguide core layer, and the laser light generated in the laser region 9 is modulated in the electric field absorption modulator region 8 to output light. Will be.

図2のEA-DFBレーザ素子10では、基板となるn型クラッド層(n-InPクラッド層/基板)3の上に変調器コア層(量子井戸層、活性層)1とレーザコア層(量子井戸層、活性層)4が形成され、連通する光導波路を構成して結合されている。レーザコア層4の上部には、レーザの発振波長を決める回折格子11が形成される。両コア層の上部には、共通の二層構造のp型クラッド層2a、2bと、2つのpコンタクト層7、2つのp電極6が形成されている。変調器領域8とレーザ領域9は、左右のコンタクト層7の間の間隙領域によって電気的に区分されており、独立にバイアス駆動される。n基板3の下のn電極5は共通でよい。 In the EA-DFB laser element 10 of FIG. 2, a modulator core layer (quantum well layer, active layer) 1 and a laser core layer (quantum well) are placed on an n-type clad layer (n-InP clad layer / substrate) 3 as a substrate. A layer (layer, active layer) 4 is formed and is connected to form an optical waveguide that communicates with the layer. A diffraction grating 11 that determines the oscillation wavelength of the laser is formed on the upper portion of the laser core layer 4. A p-type clad layer 2a and 2b having a common two-layer structure, two p-contact layers 7, and two p-electrodes 6 are formed on the upper portions of both core layers. The modulator region 8 and the laser region 9 are electrically separated by a gap region between the left and right contact layers 7, and are independently bias-driven. The n electrodes 5 under the n substrate 3 may be common.

また図3に、図2のEA-DFBレーザ素子10を光の導波方向から見た、2箇所の基板断面図を示す。図3(a)がレーザ領域9、図3(b)が変調器領域8における断面構造を示す基板断面図である。本構造は、半絶縁埋込み型と呼ばれるEA-DFBレーザ構造である。 Further, FIG. 3 shows a cross-sectional view of the substrate at two locations when the EA-DFB laser element 10 of FIG. 2 is viewed from the waveguide direction of light. FIG. 3A is a cross-sectional view of a substrate showing a cross-sectional structure in a laser region 9 and FIG. 3B is a cross-sectional structure in a modulator region 8. This structure is an EA-DFB laser structure called a semi-insulating embedded type.

図3(a)、(b)において光導波路はともに、変調器領域8の活性層1,レーザ領域9の活性層4を上下に挟むpin構造の左右両側を、高抵抗な半絶縁(SI)InP埋込み層15で埋め込んだ埋込み導波路構造である。ここで、活性層1,4の上部にはp型クラッド層が積層されるが、電気抵抗抑制と活性層領域への効率的な正孔注入のためには、p型クラッド層のドーピング濃度は高いことが望ましい。一方、光の伝搬損の観点からは、p型クラッド層のドーピング濃度は低いことが望ましい。 In both FIGS. 3A and 3B, the optical waveguide has high resistance semi-insulating (SI) on both the left and right sides of the pin structure that vertically sandwiches the active layer 1 of the modulator region 8 and the active layer 4 of the laser region 9. It is an embedded waveguide structure embedded in the InP embedded layer 15. Here, the p-type clad layer is laminated on the upper part of the active layers 1 and 4, but the doping concentration of the p-type clad layer is set in order to suppress the electric resistance and efficiently inject holes into the active layer region. High is desirable. On the other hand, from the viewpoint of light propagation loss, it is desirable that the doping concentration of the p-type clad layer is low.

このような理由からp型クラッド層は、導波モードの電界分布が存在する活性層1,4の直上には低濃度ドーピングのp型クラッド層2aを設け、その低濃度ドーピング層の上に高濃度ドーピングのp型クラッド層2bを設けた、二層構造とすることが一般的である。よって、従来構造を作製する場合には、レーザ領域と変調器領域のオーバークラッド層は、それぞれの領域にあわせて二層構造を別々に形成する必要があり、工数を要していた。 For this reason, the p-type clad layer is provided with a low-concentration doping p-type clad layer 2a directly above the active layers 1 and 4 in which the electric field distribution in the waveguide mode exists, and is high on the low-concentration doping layer. It is common to have a two-layer structure provided with a concentration-doped p-type clad layer 2b. Therefore, in the case of producing a conventional structure, it is necessary to separately form a two-layer structure for the overclad layer in the laser region and the modulator region according to each region, which requires man-hours.

また、高速変調動作の為には素子容量の抑制が重要であるが、垂直方向電界を用いた変調器は、素子上下に電極を配置するために容量が電極面積で規定されてしまう。このため、電極下の寄生容量の発生が避けられず、高速変調動作の妨げとなっていた。 Further, although it is important to suppress the element capacitance for high-speed modulation operation, in a modulator using a vertical electric field, the capacitance is defined by the electrode area because the electrodes are arranged above and below the element. Therefore, the generation of parasitic capacitance under the electrode is unavoidable, which hinders the high-speed modulation operation.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、作製工程が簡易で、かつ高性能な電界吸収変調器集積レーザを実現することにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to realize a high-performance electric field absorption modulator integrated laser with a simple manufacturing process.

本発明は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。 The present invention is characterized by providing the following configurations in order to achieve such an object.

(発明の構成1)
半導体基板の上に形成された電界吸収変調器領域とレーザ領域から構成された半導体光素子であって、
互いに連通する前記電界吸収変調器領域の活性層および前記レーザ領域の活性層と、
前記電界吸収変調器領域の活性層の基板上の基板面に平行な方向の両側に配置されたp型クラッド層および前記活性層と隣接するn型クラッド層と、
前記レーザ領域の活性層の前記基板面に平行な方向の両側に配置されたp型クラッド層および前記活性層と隣接するn型クラッド層と
前記レーザ領域および前記電界吸収変調器領域において前記p型クラッド層と前記活性層との間に配置された、前記活性層の側の端部から離れるにつれてドーピング濃度が増大する遷移領域と
を備え、
前記電界吸収変調器領域における前記遷移領域の幅が、前記レーザ領域における前記遷移領域の幅よりも広く、前記幅は前記基板面に平行な方向かつ光軸に垂直な方向の長さであることを特徴とする半導体光素子。
(Structure 1 of the invention)
A semiconductor optical device composed of an electric field absorption modulator region and a laser region formed on a semiconductor substrate.
The active layer in the electric field absorption modulator region and the active layer in the laser region communicating with each other,
The p-type clad layer and the n-type clad layer adjacent to the active layer are arranged on both sides in the direction parallel to the substrate surface of the active layer of the electric field absorption modulator region.
In the laser region and the electric field absorption modulator region , the p-type clad layer arranged on both sides of the active layer in the laser region in the direction parallel to the substrate surface, the n-type clad layer adjacent to the active layer, and the electric field absorption modulator region. It is provided with a transition region disposed between the p-type clad layer and the active layer, in which the doping concentration increases as the distance from the end on the side of the active layer increases.
The width of the transition region in the electric field absorption modulator region is wider than the width of the transition region in the laser region, and the width is a length in a direction parallel to the substrate surface and a direction perpendicular to the optical axis. A semiconductor optical element characterized by.

(発明の構成
発明の構成1に記載の半導体光素子であって、
前記電界吸収変調器領域と前記レーザ領域の間に、両領域を電気的に分離し光学的に結合する接続導波路領域が設けられた
ことを特徴とする半導体光素子。
(Structure 2 of the invention)
The semiconductor optical device according to the configuration 1 of the present invention.
A semiconductor optical device characterized in that a connecting waveguide region that electrically separates and optically couples both regions is provided between the electric field absorption modulator region and the laser region.

(発明の構成
発明の構成に記載の半導体光素子において、
前記電界吸収変調器領域の前記活性層の幅が、前記レーザ領域の前記活性層の幅よりも広く、前記幅は前記基板面に平行な方向かつ光軸に垂直な方向の長さであり、前記接続導波路領域のコア層がテーパ構造を有する
ことを特徴とする半導体光素子。
(Structure 3 of the invention)
In the semiconductor optical device according to the configuration 2 of the invention,
The width of the active layer in the electric field absorption modulator region is wider than the width of the active layer in the laser region, and the width is a length in a direction parallel to the substrate surface and a direction perpendicular to the optical axis. A semiconductor optical device characterized in that the core layer of the connection waveguide region has a tapered structure.

(発明の構成
発明の構成1からのいずれか1項に記載の半導体光素子であって、
前記半導体基板が、シリコン基板上にSiO2層が形成された2層基板である
ことを特徴とする半導体光素子。
(Structure 4 of the invention)
The semiconductor optical device according to any one of the configurations 1 to 3 of the present invention.
A semiconductor optical device characterized in that the semiconductor substrate is a two-layer substrate in which a SiO 2 layer is formed on a silicon substrate.

(発明の構成
発明の構成1からのいずれか1項に記載の半導体光素子であって、
前記半導体基板が、半絶縁性(SI)InPの単層基板である
ことを特徴とする半導体光素子。

(Structure 5 of the invention)
The semiconductor optical device according to any one of the configurations 1 to 3 of the present invention.
A semiconductor optical device characterized in that the semiconductor substrate is a semi-insulating (SI) InP single-layer substrate.

発明の構成1に記載した構成により、レーザと変調器のそれぞれの活性層領域において、真性半導体領域幅を簡易に独立に制御できる。また、横方向電界を使用することにより、素子容量がp型クラッド層およびn型クラッド層の厚さにより支配されるために電極面積の影響を受けにくく、単位長さあたりの素子容量が抑制されるために高速動作に有利である。 According to the configuration described in the configuration 1 of the present invention, the width of the intrinsic semiconductor region can be easily and independently controlled in each active layer region of the laser and the modulator. Further, by using the lateral electric field, the element capacity is dominated by the thickness of the p-type clad layer and the n-type clad layer, so that it is not easily affected by the electrode area, and the element capacity per unit length is suppressed. Therefore, it is advantageous for high-speed operation.

また、発明の構成2に記載した構成では、コア層横のp型クラッド領域に、コア層端から離れるにつれてドーピング濃度が増大する遷移領域を設け、導波モードの光が存在するコア層横を低ドーピング領域、その他は高ドーピング領域とすることにより、ドーピング分布を調整することができる。 Further, in the configuration described in the configuration 2 of the invention, a transition region in which the doping concentration increases as the distance from the core layer edge is provided is provided in the p-type clad region beside the core layer, and the side of the core layer in which the light in the waveguide mode exists is provided. The doping distribution can be adjusted by setting the low doping region and the others to the high doping region.

以上説明したように、本発明によって、作製工程が簡易でかつ高性能な電界吸収変調器集積レーザなどの半導体光素子を実現できる。 As described above, according to the present invention, it is possible to realize a semiconductor optical device such as an electric field absorption modulator integrated laser having a simple manufacturing process and high performance.

従来のEA変調器の基板断面図(a)と、QCSE効果による光吸収スペクトルの変化を示す図(b)である。It is the substrate sectional view (a) of the conventional EA modulator, and the figure (b) which shows the change of the light absorption spectrum by the QCSE effect. 従来のEA-DFBレーザの光導波路コア層に沿った基板断面図である。It is sectional drawing of the substrate along the optical waveguide core layer of the conventional EA-DFB laser. 従来のEA-DFBレーザの光の導波方向からみた、レーザ領域の基板断面図(a)、変調器領域の基板断面図(b)である。It is a substrate cross-sectional view (a) of a laser region and a substrate cross-sectional view (b) of a modulator region seen from the waveguide direction of the light of a conventional EA-DFB laser. 本発明の実施例1の半導体光素子の斜視図である。It is a perspective view of the semiconductor optical element of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の半導体光素子の半導体領域の上面図である。It is a top view of the semiconductor region of the semiconductor optical element of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の半導体光素子のレーザ領域の基板断面図(a)、変調器領域の基板断面図(b)、接続導波路領域の基板断面図(c)である。It is a substrate cross-sectional view (a) of the laser region of the semiconductor optical element of Example 1, a substrate cross-sectional view (b) of a modulator region, and a substrate cross-sectional view (c) of a connection waveguide region of this invention. 本発明の実施例1の半導体光素子の量子井戸構造において、基板に平行方向に電界を印加した場合の吸収スペクトルの変化(a)と、基板に垂直方向に電界を印加した場合の吸収スペクトルの変化(b)を表す図である。In the quantum well structure of the semiconductor optical device of the first embodiment of the present invention, the change in the absorption spectrum when an electric field is applied in the parallel direction to the substrate (a) and the absorption spectrum when the electric field is applied in the vertical direction to the substrate. It is a figure which shows the change (b). 本発明の実施例2の半導体光素子のレーザ領域の基板断面図(a)、変調器領域の基板断面図(b)である。It is the substrate sectional view (a) of the laser region of the semiconductor optical element of Example 2 of this invention, and the substrate sectional view (b) of the modulator region. 本発明の実施例3の半導体光素子の斜視図である。It is a perspective view of the semiconductor optical element of Example 3 of this invention. 本発明の実施例3の半導体光素子のレーザ領域の基板断面図(a)、変調器領域の基板断面図(b)、接続導波路領域の基板断面図(c)である。It is a substrate cross-sectional view (a) of the laser region of the semiconductor optical element of Example 3, a substrate cross-sectional view (b) of a modulator region, and a substrate cross-sectional view (c) of a connection waveguide region of this invention. 本発明の実施例4の半導体光素子のレーザ領域の基板断面図(a)、変調器領域の基板断面図(b)である。It is the substrate sectional view (a) of the laser region of the semiconductor optical element of Example 4 of this invention, and the substrate sectional view (b) of the modulator region. 本発明の実施例5の半導体光素子の上面図である。It is a top view of the semiconductor optical element of Example 5 of this invention. 本発明の実施例5の半導体光素子において、テーパ角度を決定する方法を説明する図である。It is a figure explaining the method of determining the taper angle in the semiconductor optical element of Example 5 of this invention.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図4は、本発明の実施例1の半導体光素子の構造を示す斜視図である。図5は、本発明の実施例1の半導体光素子の半導体領域のみを示した上面図である。 FIG. 4 is a perspective view showing the structure of the semiconductor optical device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5 is a top view showing only the semiconductor region of the semiconductor optical device according to the first embodiment of the present invention.

また、図6は、図5のレーザ領域9の断面A-A’の基板断面図(a)、図5の変調器領域8の断面B-B’の基板断面図(b)、および変調器領域8とレーザ領域9を接続する接続導波路領域13の断面C-C’の基板断面図(c)である。 Further, FIG. 6 shows a cross-sectional view (a) of the cross section A-A'of the laser region 9 of FIG. 5, a cross-sectional view (b) of the substrate of the cross-section BB'of the modulator region 8 of FIG. 5, and the modulator. 6 is a cross-sectional view (c) of a substrate of a cross section CC'of a connecting waveguide region 13 connecting a region 8 and a laser region 9.

図4~6にあるように本発明の実施例1の半導体光素子では、基板はシリコン基板20上にSiO2層21が形成さた2層基板である。この基板上に、横方向、すなわちコア層である量子井戸層の積層面に平行(基板面に平行)、かつ光軸に垂直な方向の電流注入構造を有する、埋め込みコア層が形成されている。 As shown in FIGS. 4 to 6, in the semiconductor optical device of the first embodiment of the present invention, the substrate is a two-layer substrate in which the SiO 2 layer 21 is formed on the silicon substrate 20. On this substrate, an embedded core layer having a current injection structure in the lateral direction, that is, parallel to the laminated surface of the quantum well layer which is the core layer (parallel to the substrate surface) and perpendicular to the optical axis is formed. ..

EA変調器領域8のコア層23とレーザ領域9のコア層24は、活性層としての積層量子井戸層を含み、i-InP層22の中に埋めこまれており、接続導波路領域13を介して連通する光導波路を構成している。例えば、EA変調器領域8のコア層23とレーザ領域9のコア層24は、ともに6層InGaAsP量子井戸から形成される。 The core layer 23 of the EA modulator region 8 and the core layer 24 of the laser region 9 include a laminated quantum well layer as an active layer and are embedded in the i-InP layer 22 to form a connecting waveguide region 13. It constitutes an optical waveguide that communicates through. For example, the core layer 23 of the EA modulator region 8 and the core layer 24 of the laser region 9 are both formed from a 6-layer InGaAsP quantum well.

レーザ領域9の発光波長(PL波長)は1.55μm、変調器領域8の発光波長(PL波長)は1.46μmであり、レーザ領域9のコア層の発光波長(PL波長)は、変調器領域8のコア層の発光波長(PL波長)よりも長波長に設定される。両コア層のコア幅はともに0.8μmであり、コア層を含むスラブ層の厚さは350nmである。 The emission wavelength (PL wavelength) of the laser region 9 is 1.55 μm, the emission wavelength (PL wavelength) of the modulator region 8 is 1.46 μm, and the emission wavelength (PL wavelength) of the core layer of the laser region 9 is the modulator. The wavelength is set to be longer than the emission wavelength (PL wavelength) of the core layer of the region 8. The core width of both core layers is 0.8 μm, and the thickness of the slab layer including the core layer is 350 nm.

両コア層(活性層)23,24の基板上の基板面に平行な方向の両側には、それぞれ横方向の電流注入のために異なるタイプのドーピングが施されたInP層が、クラッド層として埋め込まれている。すなわち、図6(a)のレーザ領域9の活性層であるコア層24の左側には、ドーピング濃度1×1018cm-3のSiのn型ドーピング層25が、コア層24の右側には、ドーピング濃度1×1018cm-3のZnのp型ドーピング層26が、クラッド層として形成されている。 InP layers, each of which has been subjected to different types of doping for lateral current injection, are embedded as clad layers on both sides of both core layers (active layers) 23 and 24 in the direction parallel to the substrate surface on the substrate. It has been. That is, on the left side of the core layer 24 which is the active layer of the laser region 9 in FIG. 6A, the Si n-type doping layer 25 having a doping concentration of 1 × 10 18 cm -3 is on the right side of the core layer 24. , A Zn p-type doping layer 26 having a doping concentration of 1 × 10 18 cm -3 is formed as a clad layer.

一方、図6(b)の変調器領域8のコア層23においては、n型ドーピング層25は同様であるが、p側ドーピング層26は、そのコア層23の側の端部がコア層23に対して0.1μm離して形成されて、その間にi-InP層22が埋め込まれている点がレーザ領域9と異なる。 On the other hand, in the core layer 23 of the modulator region 8 of FIG. 6B, the n-type doping layer 25 is the same, but the p-side doping layer 26 has the core layer 23 at the end on the side of the core layer 23. It is different from the laser region 9 in that it is formed at a distance of 0.1 μm with respect to the laser region 9 and the i-InP layer 22 is embedded between them.

すなわち、本発明の実施例1では、変調器領域のp型クラッド層のコア層の側の端部は、レーザ領域のp型クラッド層のコア層の側の端部よりもコア層から離れた位置になるよう形成されていることを特徴とする。 That is, in the first embodiment of the present invention, the end portion of the p-type clad layer in the modulator region on the core layer side is farther from the core layer than the end portion of the p-type clad layer in the laser region on the core layer side. It is characterized in that it is formed so as to be in a position.

両領域ともドーピング層(クラッド層)25、26の上部には、それぞれ電流注入用のInGaAsコンタクト層27、28が形成され、それぞれドーピング濃度1×1019cm-3のn型ドーピング、p型ドーピングが施されている。さらに、コンタクト層27、28の領域上には電流注入用の電極29、30が形成され、変調器領域8の表面にはSiO2保護膜31が形成され、レーザ領域9の表面には表面回折格子12が形成されている。見易さのため、図4の斜視図にはSiO2保護膜31は表示していない。 InGaAs contact layers 27 and 28 for current injection are formed above the doping layers (clad layers) 25 and 26 in both regions, respectively, and n-type doping and p-type doping with a doping concentration of 1 × 10 19 cm -3 , respectively. Is given. Further, electrodes 29 and 30 for current injection are formed on the regions of the contact layers 27 and 28, a SiO 2 protective film 31 is formed on the surface of the modulator region 8, and surface diffraction is performed on the surface of the laser region 9. The grating 12 is formed. For ease of viewing, the SiO 2 protective film 31 is not shown in the perspective view of FIG.

本発明の実施例1の半導体光素子は、図4の斜視図および図5の上面図に示すように、変調器領域8とレーザ領域9、接続導波路領域13から構成されている。レーザ領域9の活性層長は600μm、変調器領域8の活性層長は150μm、接続導波路領域13の導波路長は20μmである。 As shown in the perspective view of FIG. 4 and the top view of FIG. 5, the semiconductor optical device of the first embodiment of the present invention is composed of a modulator region 8, a laser region 9, and a connecting waveguide region 13. The active layer length of the laser region 9 is 600 μm, the active layer length of the modulator region 8 is 150 μm, and the waveguide length of the connecting waveguide region 13 is 20 μm.

図4に示すように、レーザ領域9のコア層24の上部には厚さ20nmのSiN絶縁膜が形成され、SiNとSiO2からなるブラッグ波長1.55μmのλ/4シフト回折格子構造が、表面回折格子12を形成している。また、接続導波路領域13は、図6(c)のように、例えば変調器領域のコア23と同様のコアをi-InP層22のみで埋め込んだ導波路構造により構成されている。変調器領域8とレーザ領域9は図4、図5に示すように、領域間のInP領域22をエッチングすることで電気的に分離され、接続導波路領域13により光学的に結合される。また、変調器領域8およびレーザ領域9の各n型半導体層、p型半導体層は、それぞれの領域で必要な部分のみに形成されている。 As shown in FIG. 4, a SiN insulating film having a thickness of 20 nm is formed on the upper part of the core layer 24 of the laser region 9, and a λ / 4 shift diffraction grating structure having a Bragg wavelength of 1.55 μm composed of SiN and SiO 2 is formed. The surface diffraction grating 12 is formed. Further, as shown in FIG. 6C, the connecting waveguide region 13 is configured by a waveguide structure in which a core similar to the core 23 in the modulator region is embedded only by the i-InP layer 22. As shown in FIGS. 4 and 5, the modulator region 8 and the laser region 9 are electrically separated by etching the InP region 22 between the regions, and are optically coupled by the connecting waveguide region 13. Further, each of the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer in the modulator region 8 and the laser region 9 is formed only in a portion necessary for each region.

この導波路構造を持つ半導体光素子を作製するにあたっては、SiO2/Si基板上へInP薄膜を形成するために、ウエハ接合等の技術を用いることができる。また、InP、InGaAsP等の結晶成長には有機金属気相成長法(MOVPE)を、レーザ導波路構造および回折格子の作製にはウェットエッチングまたはドライエッチング等の一般的な半導体レーザの作製方法を用いることができる。 In manufacturing a semiconductor optical device having this waveguide structure, a technique such as wafer bonding can be used to form an InP thin film on a SiO 2 / Si substrate. Further, a metalorganic vapor phase growth method (MOVPE) is used for crystal growth of InP, InGaAsP, etc., and a general semiconductor laser manufacturing method such as wet etching or dry etching is used for manufacturing a laser waveguide structure and a diffraction grating. be able to.

活性層(コア層)23,24の左右の電流注入用のドーピング層(クラッド層)25,26は、真性半導体領域、p領域、n領域の再成長により形成できるほか、活性層の形成後に真性InPを埋め込み再成長し、その後に表面からのイオン注入または熱拡散等の手法で不純物半導体を必要な領域のみに形成する手法が有効である。 The doping layers (clad layers) 25 and 26 for current implantation on the left and right of the active layers (core layers) 23 and 24 can be formed by regrowth of the intrinsic semiconductor region, p region, and n region, and are also intrinsic after the formation of the active layer. It is effective to embed InP and re-grow, and then form an impurity semiconductor only in the required region by a method such as ion implantation from the surface or thermal diffusion.

この手法によって、図6(a)、(b)で示したレーザ領域9と変調器領域8のn領域、p領域をそれぞれ一度に形成することができる。また、表面回折格子12は、レーザ表面への電子ビーム露光によるパタン形成とエッチングにより形成することができる。 By this method, the n region and the p region of the laser region 9 and the modulator region 8 shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b) can be formed at one time, respectively. Further, the surface diffraction grating 12 can be formed by pattern formation and etching by electron beam exposure to the laser surface.

本実施例1においては、レーザ領域9では、コア層24の横までp型クラッド層26を配置することによって、コア層24の量子井戸内への効率的な電流注入が行われる。一方で、変調器領域8においては、コア層23とp型クラッド層26の間に真性半導体のInP層22を配置することによって、光の伝搬損の抑制と、コア層の容量抑制がもたらされる。 レーザ領域9と変調器領域8は分離して形成されているので、両領域のドーピング領域を個別に設計することができる。したがって、それぞれの領域に適したドーピング分布を容易に形成することが可能となる。 In the first embodiment, in the laser region 9, by arranging the p-type clad layer 26 to the side of the core layer 24, efficient current injection into the quantum well of the core layer 24 is performed. On the other hand, in the modulator region 8, by arranging the InP layer 22 of the intrinsic semiconductor between the core layer 23 and the p-type clad layer 26, the light propagation loss is suppressed and the capacity of the core layer is suppressed. .. Since the laser region 9 and the modulator region 8 are formed separately, the doping region of both regions can be designed individually. Therefore, it is possible to easily form a doping distribution suitable for each region.

また、本実施例1では、変調器のコア層23に量子井戸を用いているため、横方向電界印加(量子井戸層の積層面すなわち基板面に平行かつ光軸に垂直な方向の電流注入構造)を用いることにより、変調効率を増大し、素子長を短縮できる。 Further, in the first embodiment, since the quantum well is used for the core layer 23 of the modulator, a lateral electric field application (a current injection structure parallel to the laminated surface of the quantum well layer, that is, the substrate surface and perpendicular to the optical axis) is applied. ), The modulation efficiency can be increased and the element length can be shortened.

図7は、厚さ10nmのInGaAsP量子井戸構造に対し、(a)基板に平行な方向に電界を印加した場合と、(b)基板に垂直な方向に電界を印加した場合の吸収係数スペクトル(Absorption coefficient)を対比して示す図である。印加する電界の範囲は、0kV/cmから100kV/cmの6通りとした。 FIG. 7 shows the absorption coefficient spectra of an InGaAsP quantum well structure having a thickness of 10 nm when (a) an electric field is applied in a direction parallel to the substrate and (b) an electric field is applied in a direction perpendicular to the substrate. It is a figure which contrasts and shows the Absorption cohesion). The range of the electric field to be applied was 6 ways from 0 kV / cm to 100 kV / cm.

量子井戸に横方向の電界を印加した場合の吸収係数変化(a)は、主として電界による励起子吸収の遮蔽により生じる(非特許文献2)。動作波長を励起子吸収ピーク波長に対して長波長側に設定した場合(例えば動作波長1.55μmにおいて)、図7から明らかなように、基板に平行に電界を印加した場合(a)の方が、基板に垂直に電界を印加した場合(b)よりも低電界での吸収変化量が大きい。したがって、光変調素子長の短縮が可能であり、損失の低減に加え、素子の寄生容量の抑制により変調帯域を増大する効果がある。 The change in absorption coefficient (a) when a lateral electric field is applied to the quantum well is mainly caused by shielding exciton absorption by the electric field (Non-Patent Document 2). When the operating wavelength is set to the long wavelength side with respect to the exciton absorption peak wavelength (for example, at an operating wavelength of 1.55 μm), as is clear from FIG. 7, when an electric field is applied in parallel to the substrate (a). However, the amount of absorption change at a low electric field is larger than that when an electric field is applied perpendicularly to the substrate (b). Therefore, it is possible to shorten the length of the optical modulation element, and in addition to reducing the loss, there is an effect of increasing the modulation band by suppressing the parasitic capacitance of the element.

以上のように、本発明の実施例1の半導体光素子の構成によれば、簡易な作製工程で高速変調可能なEA-DFBレーザを実現できる。特に、本構造は屈折率の低いSiO2上に350nmと薄いInPスラブ領域を構成しているために、コア層の光閉じ込めが向上し、変調器領域の短縮が可能である。 As described above, according to the configuration of the semiconductor optical device according to the first embodiment of the present invention, an EA-DFB laser capable of high-speed modulation can be realized by a simple manufacturing process. In particular, since this structure constitutes an InP slab region as thin as 350 nm on SiO 2 having a low refractive index, the optical confinement of the core layer is improved and the modulator region can be shortened.

加えて、変調器領域とレーザ領域はエッチングにより完全に分離され、必要な領域のみに不純物を構成することができる。このことで良好な電気的な分離が確保される。また、素子容量は電極面積ではなく、層の断面積により規定される構成となり、単位長あたりの素子容量が抑制されるために50Gbit/sを超える高速応答を実現できる。 In addition, the modulator region and the laser region are completely separated by etching, and impurities can be formed only in the required region. This ensures good electrical separation. Further, the element capacity is defined not by the electrode area but by the cross-sectional area of the layer, and the element capacity per unit length is suppressed, so that a high-speed response exceeding 50 Gbit / s can be realized.

図8に、本発明の実施例2の半導体光素子の構成について説明する。図8(a)はレーザ領域9、図8(b)は変調器領域8の基板断面図である。実施例2の半導体光素子の構造は、コア横のp型クラッド層のドーピング遷移領域を除いては、実施例1と同様であるので、斜視図、上面図は示さない。 FIG. 8 describes the configuration of the semiconductor optical device according to the second embodiment of the present invention. 8 (a) is a substrate sectional view of a laser region 9, and FIG. 8 (b) is a cross-sectional view of a substrate of a modulator region 8. Since the structure of the semiconductor optical device of Example 2 is the same as that of Example 1 except for the doping transition region of the p-type clad layer beside the core, a perspective view and a top view are not shown.

実施例2の半導体光素子においては、図8(a)に示すように、レーザ領域9の活性層(コア層)24が右横のp型クラッド26に直接接してはおらず、幅0.2μmのp型のドーピング遷移領域26aを設けている点が実施例1と異なる。このドーピング遷移領域26aの、活性層24側の端におけるp型ドーピング濃度は5×1017cm-3であり、活性層24から離れるに伴って1×1018cm-3まで増大する。 In the semiconductor optical device of the second embodiment, as shown in FIG. 8A, the active layer (core layer) 24 of the laser region 9 is not in direct contact with the p-type cladding 26 on the right side, and has a width of 0.2 μm. It is different from Example 1 in that the p-type doping transition region 26a is provided. The p-type doping concentration at the end of the doping transition region 26a on the active layer 24 side is 5 × 10 17 cm -3 , and increases to 1 × 10 18 cm -3 as the distance from the active layer 24 increases.

また図8(b)に示すように、実施例2の変調器領域8の活性層(コア層)23においては、右横のp型クラッド層26との間に、i-InP層22に代えて、レーザ領域9より幅の広い0.3μmの幅のp型のドーピング遷移領域26bが設けられている。このドーピング遷移領域26bの、活性層23の側の端におけるp型ドーピング濃度は1×1017cm-3であり、活性層23から離れるに伴い1×1018cm-3まで増大する。 Further, as shown in FIG. 8B, in the active layer (core layer) 23 of the modulator region 8 of the second embodiment, the i-InP layer 22 is replaced with the p-type clad layer 26 on the right side. Therefore, a p-type doping transition region 26b having a width of 0.3 μm, which is wider than the laser region 9, is provided. The p-type doping concentration at the end of the doping transition region 26b on the side of the active layer 23 is 1 × 10 17 cm -3 , and increases to 1 × 10 18 cm -3 as the distance from the active layer 23 increases.

すなわち、本発明の実施例2においては、両領域のp型クラッド層はそれぞれ、コア層側の端部から離れるにつれてドーピング濃度が増大する遷移領域を、コア層の側に有しており、電界吸収変調器領域における遷移領域の幅が、レーザ領域における遷移領域の幅よりも広いことを特徴とする。 That is, in the second embodiment of the present invention, each of the p-type clad layers in both regions has a transition region on the core layer side in which the doping concentration increases as the distance from the end on the core layer side increases. The width of the transition region in the absorption modulator region is wider than the width of the transition region in the laser region.

このようなドーピング遷移領域は、活性層コアからクラッド層の境界の間に距離を設け、そこに真性InP層を形成したあとに、拡散またはイオン注入を施すことによって得られる。 Such a doping transition region is obtained by providing a distance between the active layer core and the boundary of the clad layer, forming a true InP layer there, and then applying diffusion or ion implantation.

本実施例2では、レーザ領域9においては、ドーピング遷移領域26aを設けてコア層横までpドーピング層を配置することによって量子井戸内への効率的な電流注入が行われ、加えてドーピング量を下げているために、損失の低減に効果がある。一方で、変調器領域8においては、より幅の広いドーピング遷移領域26bを設けて光の伝搬損を抑制しつつ、かつ正孔を電界により高速に引き抜くことができる。 In the second embodiment, in the laser region 9, the doping transition region 26a is provided and the p-doping layer is arranged to the side of the core layer, so that efficient current injection into the quantum well is performed, and the doping amount is increased. Since it is lowered, it is effective in reducing the loss. On the other hand, in the modulator region 8, a wider doping transition region 26b can be provided to suppress light propagation loss, and holes can be extracted at high speed by an electric field.

これらのドーピング遷移領域は、例えば、活性層の形成後に真性InPを埋め込み再成長し、その後に表面からイオン注入または熱拡散等の手法を用いて、Znを初めとするp型不純物を垂直方向と横方向に拡散させることによって形成できる。拡散やイオン注入においては、垂直方向に浸透しつつも、注入対象物質に入ってから水平方向にも広がることが物理的に一般的な振る舞いであるので、このような形成が可能となる。 In these doping transition regions, for example, after the formation of the active layer, intrinsic InP is embedded and re-grown, and then p-type impurities such as Zn are placed in the vertical direction by using a technique such as ion implantation or thermal diffusion from the surface. It can be formed by spreading it laterally. In diffusion and ion implantation, it is a physically general behavior that the substance penetrates in the vertical direction and then spreads in the horizontal direction after entering the substance to be implanted, so that such formation is possible.

図9、10に、本発明の実施例3の半導体光素子の構成を示す。図9は、本発明の実施例3の半導体光素子の構造を示す斜視図である。図10(a)~(c)は、実施例1の図6と同様に、本発明の実施例3のレーザ領域9の基板断面図10(a)、変調器領域8の基板断面図10(b)、および変調器領域8とレーザ領域9を接続する接続導波路領域13の基板断面図10(c)である。 9 and 10 show the configuration of the semiconductor optical device according to the third embodiment of the present invention. FIG. 9 is a perspective view showing the structure of the semiconductor optical device according to the third embodiment of the present invention. 10 (a) to 10 (c) are a cross-sectional view of the substrate 9 of the laser region 9 of the third embodiment of the present invention and a cross-sectional view of the substrate 10 of the modulator region 8 (a), similarly to FIG. 6 of the first embodiment. b), and is a cross-sectional view 10 (c) of the substrate of the connection waveguide region 13 connecting the modulator region 8 and the laser region 9.

図9、10の本発明の実施例3では、図4~6の実施例1と同じ部分は同じ符号で示す。実施例3では実施例1と異なり、基板は半絶縁性(SI)InPの単層基板40であり、その上に横方向電流注入構造を有する埋め込みコア層が形成されている。例えば、EA変調器領域8のコア層23とレーザ領域9のコア層24は、ともに20層InGaAsP量子井戸から形成される。 In Example 3 of the present invention of FIGS. 9 and 10, the same parts as those of Example 1 of FIGS. 4 to 6 are indicated by the same reference numerals. In Example 3, unlike Example 1, the substrate is a semi-insulating (SI) InP single-layer substrate 40, on which an embedded core layer having a lateral current injection structure is formed. For example, the core layer 23 of the EA modulator region 8 and the core layer 24 of the laser region 9 are both formed from a 20-layer InGaAsP quantum well.

レーザ領域9の発光波長(PL波長)は1.55μm、変調器領域8の発光波長(PL波長)は1.46μmである。両コア層のコア幅はともに0.8μmであり、埋め込み層の厚さは400nmである。 The emission wavelength (PL wavelength) of the laser region 9 is 1.55 μm, and the emission wavelength (PL wavelength) of the modulator region 8 is 1.46 μm. The core width of both core layers is 0.8 μm, and the thickness of the embedded layer is 400 nm.

両コア層(活性層)23,24の基板上の基板面に平行な方向の両側には、それぞれ横方向の電流注入のために異なるタイプのドーピングが施されたInP層が、クラッド層として埋め込まれている。すなわち、図10(a)のレーザ領域9の活性層であるコア層24の左側には、ドーピング濃度1×1018cm-3のSiのn型ドーピング層25が、コア層24の右側には、ドーピング濃度1×1018cm-3のZnのp型ドーピング層26が、クラッド層として形成されている。 InP layers, each of which has been subjected to different types of doping for lateral current injection, are embedded as clad layers on both sides of both core layers (active layers) 23 and 24 in the direction parallel to the substrate surface on the substrate. It has been. That is, on the left side of the core layer 24 which is the active layer of the laser region 9 in FIG. 10 (a), the Si n-type doping layer 25 having a doping concentration of 1 × 10 18 cm -3 is on the right side of the core layer 24. , A Zn p-type doping layer 26 having a doping concentration of 1 × 10 18 cm -3 is formed as a clad layer.

一方、図10(b)の変調器領域8のコア層23においては、n型ドーピング層25は同様であるが、p側ドーピング層26は、そのコア層23の側の端部がコア層23に対して0.1μm離して形成されて、その間にi-InP層22が埋め込まれている点がレーザ領域9と異なる。 On the other hand, in the core layer 23 of the modulator region 8 of FIG. 10B, the n-type doping layer 25 is the same, but the p-side doping layer 26 has the core layer 23 at the end on the side of the core layer 23. It is different from the laser region 9 in that it is formed at a distance of 0.1 μm with respect to the laser region 9 and the i-InP layer 22 is embedded between them.

すなわち、本発明の実施例3では、変調器領域のp型クラッド層のコア層の側の端部は、レーザ領域のp型クラッド層のコア層の側の端部よりもコア層から離れた位置になるよう形成されていることを特徴とする。 That is, in the third embodiment of the present invention, the end portion of the p-type clad layer in the modulator region on the core layer side is farther from the core layer than the end portion of the p-type clad layer in the laser region on the core layer side. It is characterized in that it is formed so as to be in a position.

両領域ともドーピング層(クラッド層)25、26の上部には、それぞれ電流注入用のInGaAsコンタクト層27、28が形成され、それぞれドーピング濃度1×1019cm-3のn型ドーピング、p型ドーピングが施されている。さらに、コンタクト層27、28の領域上には電流注入用の電極29,30が形成され、変調器領域8の表面にはSiO2保護膜31が形成され、レーザ領域9の表面には表面回折格子12が形成されている。見易さのため、図9の斜視図にはSiO2保護膜31は表示していない。 InGaAs contact layers 27 and 28 for current injection are formed above the doping layers (clad layers) 25 and 26 in both regions, respectively, and n-type doping and p-type doping with a doping concentration of 1 × 10 19 cm -3 , respectively. Is given. Further, electrodes 29 and 30 for current injection are formed on the regions of the contact layers 27 and 28, a SiO 2 protective film 31 is formed on the surface of the modulator region 8, and surface diffraction is performed on the surface of the laser region 9. The grating 12 is formed. For ease of viewing, the SiO 2 protective film 31 is not shown in the perspective view of FIG.

本発明の実施例3の半導体光素子は、図9の斜視図に示すように、変調器領域8とレーザ領域9、接続導波路領域13から構成されている。レーザ領域9の活性層長は600μm、変調器領域8の活性層長は150μm、導波路領域13の導波路長は20μmである。 As shown in the perspective view of FIG. 9, the semiconductor optical device of the third embodiment of the present invention is composed of a modulator region 8, a laser region 9, and a connecting waveguide region 13. The active layer length of the laser region 9 is 600 μm, the active layer length of the modulator region 8 is 150 μm, and the waveguide length of the waveguide region 13 is 20 μm.

図9に示すように、レーザ領域9のコア層24上部には厚さ20nmのSiN絶縁膜が形成され、SiNとSiO2からなるブラッグ波長1.55μmのλ/4シフト回折格子構造が、表面回折格子12を形成している。また、接続導波路領域13は、図10(c)のように、変調器コア23と同様のコアをi-InP層22のみで埋め込んだ導波路構造により構成されている。変調器領域8とレーザ領域9は図9に示すように、領域間のInP領域をエッチングすることで電気的に分離され、接続導波路領域13により光学的に結合される。また、変調器領域8およびレーザ領域9の各n型半導体層、p型半導体層は、それぞれの領域で必要な部分のみに形成されている。この構成も実施例1、2と同様に、一般的な半導体素子の作製方法を用いて作製できる。 As shown in FIG. 9, a SiN insulating film having a thickness of 20 nm is formed on the upper part of the core layer 24 of the laser region 9, and a λ / 4 shift diffraction grating structure having a Bragg wavelength of 1.55 μm composed of SiN and SiO 2 is formed on the surface. The diffraction grating 12 is formed. Further, as shown in FIG. 10C, the connecting waveguide region 13 is configured by a waveguide structure in which a core similar to the modulator core 23 is embedded only in the i-InP layer 22. As shown in FIG. 9, the modulator region 8 and the laser region 9 are electrically separated by etching the InP region between the regions, and are optically coupled by the connecting waveguide region 13. Further, each of the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer in the modulator region 8 and the laser region 9 is formed only in a portion necessary for each region. Similar to Examples 1 and 2, this configuration can also be manufactured by using a general method for manufacturing a semiconductor device.

本実施例3の構造では、InP基板40上にレーザを構成しているために放熱の効果が高い。また、光のモードが低損失な半絶縁性InP領域に広がっているために損失が低く、レーザの光出力の増大に有利である。 In the structure of the third embodiment, since the laser is configured on the InP substrate 40, the effect of heat dissipation is high. Further, since the light mode extends to the low-loss semi-insulating InP region, the loss is low, which is advantageous for increasing the light output of the laser.

図11に、本発明の実施例4に係る別の形態について説明する。図11(a)はレーザ領域9、図11(b)は変調器領域8の基板断面図である。実施例4の半導体光素子の構造は、コア横のp型クラッド層のドーピング遷移領域を除いては、図10の実施例3と同様である。 FIG. 11 describes another embodiment according to the fourth embodiment of the present invention. 11 (a) is a substrate sectional view of a laser region 9, and FIG. 11 (b) is a cross-sectional view of a substrate of a modulator region 8. The structure of the semiconductor optical device of Example 4 is the same as that of Example 3 of FIG. 10 except for the doping transition region of the p-type clad layer beside the core.

実施例4の半導体光素子においては、図11(a)に示すように、レーザ領域9の活性層(コア層)24が右横のp型クラッド26側には直接接してはおらず、幅0.2μmのpドーピングの遷移領域26aを設けている点が実施例3と異なる。このpドーピングの遷移領域26aの、活性層24側の端におけるドーピング濃度は5×1017cm-3であり、活性層24から離れるに伴って1×1018cm-3まで増大する。 In the semiconductor optical device of the fourth embodiment, as shown in FIG. 11A, the active layer (core layer) 24 of the laser region 9 is not in direct contact with the p-type cladding 26 side on the right side, and has a width of 0. It differs from Example 3 in that a transition region 26a of p-doping of .2 μm is provided. The doping concentration at the end of the p-doping transition region 26a on the active layer 24 side is 5 × 10 17 cm -3 , and increases to 1 × 10 18 cm -3 as the distance from the active layer 24 increases.

また図11(b)に示すように、実施例4の変調器領域8の活性層23においては、右横のp型クラッド26との間に、i-InP層22に代えて、より幅の広い0.3μmのp型のドーピング遷移領域26bが設けられている。このドーピング遷移領域26bの活性層23側の端におけるドーピング濃度は1×1017cm-3であり、活性層23から離れるに伴い1×1018cm-3まで増大する。 Further, as shown in FIG. 11B, in the active layer 23 of the modulator region 8 of the fourth embodiment, the width is wider than that of the p-type clad 26 on the right side instead of the i-InP layer 22. A wide 0.3 μm p-type doping transition region 26b is provided. The doping concentration at the end of the doping transition region 26b on the active layer 23 side is 1 × 10 17 cm -3 , and increases to 1 × 10 18 cm -3 as the distance from the active layer 23 increases.

すなわち、本発明の実施例4においては、両領域のp型クラッド層はそれぞれ、コア層側の端部から離れるにつれてドーピング濃度が増大する遷移領域を、コア層の側に有しており、電界吸収変調器領域における遷移領域の幅が、レーザ領域における遷移領域の幅よりも広いことを特徴とする。 That is, in the fourth embodiment of the present invention, each of the p-type clad layers in both regions has a transition region on the core layer side in which the doping concentration increases as the distance from the end on the core layer side increases. The width of the transition region in the absorption modulator region is wider than the width of the transition region in the laser region.

本実施例4においても、実施例2と同様に、レーザ領域9では、ドーピング遷移領域を設けてコア層横までpドーピング層を配置することによって、量子井戸内への効率的な電流注入が行われ、加えてドーピング量を下げているために、損失の低減に効果がある。一方で、変調器領域8においては、より幅の広いドーピング遷移領域を設けて光の伝搬損を抑制しつつ、かつ正孔を電界により高速に引き抜くことができる。 In the fourth embodiment as well, in the laser region 9, the doping transition region is provided and the p-doping layer is arranged to the side of the core layer, so that efficient current injection into the quantum well is performed. In addition, since the doping amount is reduced, it is effective in reducing the loss. On the other hand, in the modulator region 8, a wider doping transition region can be provided to suppress light propagation loss, and holes can be extracted at high speed by an electric field.

ドーピング遷移領域は、例えば、活性層の形成後に真性InPを埋め込み再成長し、その後に表面からイオン注入または熱拡散等の手法を用いて、Znを初めとするp型不純物を垂直方向と横方向に拡散させることによって形成できる。 In the doping transition region, for example, after the formation of the active layer, the true InP is embedded and regrown, and then the p-type impurities such as Zn are implanted vertically and laterally by using a technique such as ion implantation or thermal diffusion from the surface. It can be formed by diffusing into.

実施例1から4では、レーザ領域側のコア幅と変調器領域側のコア幅は、同じ幅として説明したが、両領域におけるコア幅は必ずしも同じである必要性はない。コア層構造が異なる場合、光閉じ込め係数を調整するために、例えば変調器領域側のコア幅をレーザ領域側と比べて大きくすることで、光閉じ込め係数を増大させるとともに、横方向電圧下での静電容量を低下させて高速応答化することなどが期待できる。 In Examples 1 to 4, the core width on the laser region side and the core width on the modulator region side are described as the same width, but the core widths in both regions do not necessarily have to be the same. When the core layer structure is different, in order to adjust the optical confinement coefficient, for example, the core width on the modulator region side is made larger than that on the laser region side to increase the optical confinement coefficient and at the same time under lateral voltage. It can be expected that the capacitance will be reduced to achieve a high-speed response.

一方で、レーザ領域側のコア幅を狭くすることで、横方向キャリア注入効率の向上、安定した単一横モード発振、また、下側InP基板への低損失光モード広がりを利用した導波路構造による高出力化といった効果が期待できる。それぞれレーザ領域と変調器領域とで、適切なコア幅として素子を作製することが有利である。 On the other hand, by narrowing the core width on the laser region side, the waveguide structure utilizes the improvement of transverse carrier injection efficiency, stable single transverse mode oscillation, and low loss optical mode spread to the lower InP substrate. You can expect the effect of increasing the output. It is advantageous to fabricate the device with an appropriate core width in the laser region and the modulator region, respectively.

図12は、このような構造を用いた場合の、本発明の実施例5の半導体光素子の上面図である。レーザ領域9側のコア層24の幅よりも変調器領域8側のコア層23の幅が大きくなる場合、両領域のコア層を接続する接続導波路領域13(ドーピングを実施しない領域、分離領域)のコア層を緩やかなテーパ構造とすることで、素子設計時のフォトマスクの変更のみで作製工程を変更することなくコア幅の変更を実現可能である。 FIG. 12 is a top view of the semiconductor optical device according to the fifth embodiment of the present invention when such a structure is used. When the width of the core layer 23 on the modulator region 8 side is larger than the width of the core layer 24 on the laser region 9 side, the connecting waveguide region 13 connecting the core layers of both regions (region without doping, separation region). By making the core layer of) a gentle taper structure, it is possible to change the core width without changing the manufacturing process only by changing the photomask at the time of device design.

この時の、接続導波路領域13のコア層のテーパの角度θは、図13に示すように、変調器側コア幅をWEA、レーザ側のコア幅をWLD、分離領域の長さをlと置くとき、次式(1)で表される範囲とし、0.0001radから0.001rad程度となるように設計される。 At this time, as shown in FIG. 13, the angle θ of the taper of the core layer of the connecting waveguide region 13 is WE A for the core width on the modulator side, WLD for the core width on the laser side, and the length of the separation region. When set to l, the range is expressed by the following equation (1), and it is designed to be about 0.0001 rad to 0.001 rad.

Figure 0006996183000001
Figure 0006996183000001

以上説明したように、本発明によって、簡易な作製方法により、小型かつ高速なEA-DFBレーザを実現することができる。 As described above, according to the present invention, a compact and high-speed EA-DFB laser can be realized by a simple manufacturing method.

なお、本発明に係る半導体光素子のレーザ構造は本実施例に留まらない。実施例では活性層は量子井戸層を用いたが、バルク活性層を用いても構わない。また、動作波長は1.55μmとしたが、1.3μmまでは設計変更の範囲で実現できる。 The laser structure of the semiconductor optical device according to the present invention is not limited to this embodiment. In the examples, the quantum well layer was used as the active layer, but a bulk active layer may be used. The operating wavelength was set to 1.55 μm, but up to 1.3 μm can be realized within the range of design changes.

また、レーザのコア層はInGaAsP系としたが、InGaAlAs系など、他の化合物半導体材料においても適用することができる。また、回折格子はSiNとSiO2により構成したが、SiONやSiOx等、その他の絶縁膜で構成しても構わないし、InPの表面をエッチングすることで形成しても構わない。また、レーザのコア層の上下に回折格子を形成できることも自明である。 Although the core layer of the laser is InGaAsP-based, it can also be applied to other compound semiconductor materials such as InGaAlAs-based. Further, although the diffraction grating is composed of SiN and SiO 2 , it may be composed of another insulating film such as SiON or SiOx, or may be formed by etching the surface of InP. It is also self-evident that diffraction gratings can be formed above and below the core layer of the laser.

実施例5の構成を、実施例1から4の構成にも組み合わせて適用可能であることも明らかである。 It is also clear that the configuration of Example 5 can be combined and applied to the configurations of Examples 1 to 4.

本発明は、作製工程が簡易でかつ高性能な電界吸収変調器集積レーザを実現でき、光通信システム用の光送信器に利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, an electric field absorption modulator integrated laser having a simple manufacturing process and high performance can be realized, and can be used as an optical transmitter for an optical communication system.

1 量子井戸層(コア層、活性層)
2,2a、2b p型クラッド層(p-InP)
3 n型クラッド層(n-InP)/基板
41 変調信号源
4 レーザコア層(量子井戸層、活性層)
5 n電極
6 p電極
7 pコンタクト層
8 電界吸収変調器領域
9 レーザ領域
10 EA-DFBレーザ素子
11 回折格子
12 表面回折格子
13 接続導波路領域
15 半絶縁InP埋込み層
20 シリコン基板
21 SiO2
22 i-InP層
23、24 コア層(量子井戸層、活性層)
25 n型クラッド層(n型ドーピング層)
26 p型クラッド層(p型ドーピング層)
26a、26b ドーピング遷移領域
27、28 コンタクト層
29、30 電極
31 SiO2保護膜
40 半絶縁性(SI)InP単層基板
1 Quantum well layer (core layer, active layer)
2,2a, 2b p-type clad layer (p-InP)
3 n-type clad layer (n-InP) / substrate 41 Modulation signal source 4 Laser core layer (quantum well layer, active layer)
5 n electrode 6 p electrode 7 p contact layer 8 electric field absorption modulator region 9 laser region 10 EA-DFB laser element 11 diffraction grating 12 surface diffraction grating 13 connection waveguide region 15 semi-insulating InP embedded layer 20 silicon substrate 21 SiO 2 layer 22 i-InP layer 23, 24 core layer (quantum well layer, active layer)
25 n-type clad layer (n-type doping layer)
26 p-type clad layer (p-type doping layer)
26a, 26b Doping transition region 27, 28 Contact layer 29, 30 Electrode 31 SiO 2 Protective film 40 Semi-insulating (SI) InP single-layer substrate

Claims (5)

半導体基板の上に形成された電界吸収変調器領域とレーザ領域から構成された半導体光素子であって、
互いに連通する前記電界吸収変調器領域の活性層および前記レーザ領域の活性層と、
前記電界吸収変調器領域の活性層の基板上の基板面に平行な方向の両側に配置されたp型クラッド層および前記活性層と隣接するn型クラッド層と、
前記レーザ領域の活性層の前記基板面に平行な方向の両側に配置されたp型クラッド層および前記活性層と隣接するn型クラッド層と
前記レーザ領域および前記電界吸収変調器領域において前記p型クラッド層と前記活性層との間に配置された、前記活性層の側の端部から離れるにつれてドーピング濃度が増大する遷移領域と
を備え、
前記電界吸収変調器領域における前記遷移領域の幅が、前記レーザ領域における前記遷移領域の幅よりも広く、前記幅は前記基板面に平行な方向かつ光軸に垂直な方向の長さであることを特徴とする半導体光素子。
A semiconductor optical device composed of an electric field absorption modulator region and a laser region formed on a semiconductor substrate.
The active layer in the electric field absorption modulator region and the active layer in the laser region communicating with each other,
The p-type clad layer and the n-type clad layer adjacent to the active layer are arranged on both sides in the direction parallel to the substrate surface of the active layer of the electric field absorption modulator region.
In the laser region and the electric field absorption modulator region , the p-type clad layer arranged on both sides of the active layer in the laser region in the direction parallel to the substrate surface, the n-type clad layer adjacent to the active layer, and the electric field absorption modulator region. It is provided with a transition region disposed between the p-type clad layer and the active layer, in which the doping concentration increases as the distance from the end on the side of the active layer increases.
The width of the transition region in the electric field absorption modulator region is wider than the width of the transition region in the laser region, and the width is a length in a direction parallel to the substrate surface and a direction perpendicular to the optical axis. A semiconductor optical element characterized by.
請求項1に記載の半導体光素子であって、
前記電界吸収変調器領域と前記レーザ領域の間に、両領域を電気的に分離し光学的に結合する接続導波路領域が設けられた
ことを特徴とする半導体光素子。
The semiconductor optical device according to claim 1.
A semiconductor optical device characterized in that a connecting waveguide region that electrically separates and optically couples both regions is provided between the electric field absorption modulator region and the laser region.
請求項2に記載の半導体光素子において、
前記電界吸収変調器領域の前記活性層の幅が、前記レーザ領域の前記活性層の幅よりも広く、前記幅は前記基板面に平行な方向かつ光軸に垂直な方向の長さであり、前記接続導波路領域のコア層がテーパ構造を有する
ことを特徴とする半導体光素子。
In the semiconductor optical device according to claim 2,
The width of the active layer in the electric field absorption modulator region is wider than the width of the active layer in the laser region, and the width is a length in a direction parallel to the substrate surface and a direction perpendicular to the optical axis. A semiconductor optical device characterized in that the core layer of the connection waveguide region has a tapered structure.
請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体光素子であって、
前記半導体基板が、シリコン基板上にSiO2層が形成された2層基板である
ことを特徴とする半導体光素子。
The semiconductor optical device according to any one of claims 1 to 3.
A semiconductor optical device characterized in that the semiconductor substrate is a two-layer substrate in which a SiO 2 layer is formed on a silicon substrate.
請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体光素子であって、
前記半導体基板が、半絶縁性(SI)InPの単層基板である
ことを特徴とする半導体光素子。
The semiconductor optical device according to any one of claims 1 to 3.
A semiconductor optical device characterized in that the semiconductor substrate is a semi-insulating (SI) InP single-layer substrate.
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