JP7277825B2 - 半導体光素子 - Google Patents

半導体光素子 Download PDF

Info

Publication number
JP7277825B2
JP7277825B2 JP2021530388A JP2021530388A JP7277825B2 JP 7277825 B2 JP7277825 B2 JP 7277825B2 JP 2021530388 A JP2021530388 A JP 2021530388A JP 2021530388 A JP2021530388 A JP 2021530388A JP 7277825 B2 JP7277825 B2 JP 7277825B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical waveguide
width
light
emitting layer
diffraction grating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2021530388A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2021005700A1 (ja
Inventor
卓磨 相原
慎治 松尾
泰 土澤
達郎 開
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Publication of JPWO2021005700A1 publication Critical patent/JPWO2021005700A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7277825B2 publication Critical patent/JP7277825B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0421—Electrical excitation ; Circuits therefor characterised by the semiconducting contacting layers
    • H01S5/0422—Electrical excitation ; Circuits therefor characterised by the semiconducting contacting layers with n- and p-contacts on the same side of the active layer
    • H01S5/0424—Electrical excitation ; Circuits therefor characterised by the semiconducting contacting layers with n- and p-contacts on the same side of the active layer lateral current injection
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H01S5/124—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers incorporating phase shifts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/0206—Substrates, e.g. growth, shape, material, removal or bonding
    • H01S5/021—Silicon based substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1003—Waveguide having a modified shape along the axis, e.g. branched, curved, tapered, voids
    • H01S5/1014—Tapered waveguide, e.g. spotsize converter
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H01S5/124—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers incorporating phase shifts
    • H01S5/1243—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers incorporating phase shifts by other means than a jump in the grating period, e.g. bent waveguides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2004—Confining in the direction perpendicular to the layer structure
    • H01S5/2018—Optical confinement, e.g. absorbing-, reflecting- or waveguide-layers
    • H01S5/2031—Optical confinement, e.g. absorbing-, reflecting- or waveguide-layers characterized by special waveguide layers, e.g. asymmetric waveguide layers or defined bandgap discontinuities
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/227—Buried mesa structure ; Striped active layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/323—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/3235—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength longer than 1000 nm, e.g. InP-based 1300 nm and 1500 nm lasers
    • H01S5/32391—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength longer than 1000 nm, e.g. InP-based 1300 nm and 1500 nm lasers based on In(Ga)(As)P

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Description

本発明は、半導体レーザ等に適用可能な半導体光素子に関する。
インターネット等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。この要求に対して、コヒーレント光通信技術及びディジタル信号処理技術を利用したディ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では、通信用と受信用の局発光源として、単一モードの半導体レーザが必要とされる。
単一モード化のための光共振器の代表的な構造として、例えばλ/4位相シフトを有する回折格子が用いられてきた。この構造は、均一回折格子の一部に形成された位相シフタによって位相を反転させ、ブラッグ波長における単一モード発振を可能にする。このレーザは、λ/4シフトＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザと称され、既に実用化されている。
λ/4シフトＤＦＢレーザにおいては、レーザ内の光強度分布により共振器内にキャリア分布が生じる空間ホールバーニングと称される現象によってスペクトル線幅の狭窄が妨げられるという問題がある。そのために、分布反射型（Distributed Reflector）回折格子を形成して高反射率を得るレーザが例えば非特許文献１に開示されている。また、位相シフトを緩やかにすることで活性層内の光強度分布の局在を緩和する周期変調型（Corrugation Pitch Modulated）回折格子が例えば非特許文献２に開示されている。
位相信号を用いた光通信においては、信号品質にかかわるレ－ザの線幅が重要であり、その線幅は狭いほど良いとされる。レーザの狭線幅化のためには、半導体レーザの共振器損の抑制が有効であることが知られている。
T. Simoyama et al.,"40-Gbps Transmission Using Direct Modulation of 1.3-μm AlGaInAs MQW Distributed-Reflector Lasers up to 70℃", OFC/NFOEC 2011, OWD3, 2011. M. Okai et al.,"Corrugation-Pitch-Modulated MQW-DFB Laser with Narrow Spectral Linewidth (170 Khz)", IEEE Photonics Technology Letters, vol.2, no.8, pp.529-530, 1990.
しかしながら、共振器損を抑制して共振器のＱ値を高めると、位相シフト領域に光が強く局在する。この強い光の局在領域では、キャリアが多く消費されその密度が低下する。キャリア密度の低下は、屈折率の増加をもたらし、共振器内部に屈折率の分布を生じさせる。
屈折率の分布は、共振器の反射率の低下及びモード選択性の低下につながり、レーザの発振モードが不安定になる。このように、λ/4シフトＤＦＢレーザにおいては、空間ホールバーニングにより線幅の狭窄が妨げられるという課題がある。また、非特許文献１に記載されたＤＦＢレーザは、電流注入状態においてＤＲの反射波長とＤＦＢの発振波長が大きくずれるため、広い電流領域で安定に単一モード発振を得ることが難しい。また、非特許文献２に記載された周期変調型回折格子の構造では、回折格子の周期が位相変調領域とそれ以外とで異なるため、エッチング及び結晶成長等の製造プロセスにおいて不均一性が生じ易く製造が難しい。
本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、空間ホールバーニングが生じ難く、スペクトル線幅を狭くできる半導体光素子を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る半導体光素子は、電流注入状態において発光する発光層と、前記発光層の延伸方向に沿い該延伸方向の幅又は厚さが変化する光導波路と、周期、幅、及び深さが一定の均一回折格子とを備えることを要旨とする。
本発明によれば、空間ホールバーニングが生じ難く、スペクトル線幅を狭くできる半導体光素子を提供することができる。
本発明の実施形態に係る半導体光素子の概略の構成例を示す図である。 図１に示す光導波路の平面形状の例を示す図である。 図１に示す半導体光素子のストップバンドがオフセットする様子を模式的に示す図である。 屈折率が変調されたストップバンドの透過スペクトルの例を示す図である。 屈折率変調型回折格子を有する半導体レーザの閾値利得の計算例を示す図である。 本発明の実施形態に係る半導体光素子の光導波路の延伸方向に沿った光強度分布の計算例を示す図である。 図１に示す半導体光素子のより具体的な断面構成例を示す図である。 変調深さと閾値利得の関係の計算例を示す図である。 空間ホールバーニングによって光導波路の両端部の屈折率が相対的に低下する様子を模式的に示す図である。 空間ホールバーニング耐性を持たせた光導波路の平面形状の例を示す図である。 ストップバンドのオフセットＸ，Ｙの例を模式的に示す図である。 ストップバンドのオフセットＹをパラメータに、オフセットＸと基本モードの閾値利得との関係を計算した例を示す図である。 図１２に示す基本モードの閾値利得と、高次モードの閾値利得の差を計算した例を示す図である。 図１に示す光導波路の変形例を模式的に示す図である。 図１に示す均一回折格子の変形例を模式的に示す図である。 長波長側を選択するバンドオフセットの例を模式的に示す図である。 図１に示す光導波路の他の変形例を模式的に示す図である。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。
図１は、本発明の実施形態に係る半導体光素子の概略の構成例を示す図である。図１に示す半導体光素子１００は、レーザ光を発光する半導体レーザである。
図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＡ－Ａ線で切った断面図である。厚さ方向をｚ、左右方向をｘ、奥行き方向をｙと定義する。
図１に示すように、半導体光素子１００は、発光層１０、光導波路２０、及び均一回折格子３０を備える。４０Ａはアノード電極、４０Ｋはカソード電極である。
発光層１０は、電流注入状態においてレーザ光を発光する。電流は、アノード電極４０Ａからカソード電極４０Ｋに向けて流す。レーザ光はｙ方向に出射される。
光導波路２０は、発光層１０の延伸方向（ｙ）に沿い該延伸方向と直交する向き（ｘ）の幅が変化する（図１（ａ））。光導波路２０の材質は例えばシリコンである。
均一回折格子３０は、周期、幅、及び深さが一定である。均一回折格子３０は、発光層１０の延伸方向（ｙ）に沿い該延伸方向と直交する向き（ｘ）に、周期、幅、及び深さが一定で配置される。均一回折格子３０の材質は例えばＳｉＮである。均一回折格子３０は共振器を構成する。
発光層１０と光導波路２０と均一回折格子３０のそれぞれは、光学的に結合した位置に配置される。つまり、それぞれは光モードがオーバーラップする間隔に配置される。
光モードがオーバーラップするため、光導波路２０の幅の変化によって半導体レーザの実効屈折率が光導波路２０の延伸方向（ｙ）に沿って変化する。実効屈折率は、光モードがオーバーラップする範囲内の各材料の屈折率とキャリア濃度によって決定される屈折率である。
実効屈折率の変化は、均一回折格子３０（共振器）の遮断周波数であるストップバンドを変化させる。例えば、光導波路２０のｙ方向の中心の実効屈折率が高くなるようにその幅を変化させることでストップバンドを変化させることができる。
図２は、光導波路２０の平面形状の例を示す図である。図２に示す光導波路２０は、延伸方向（ｙ）に、所定の幅の第１部分２０ａ、該第１部分２０ａよりも幅の広い第２部分２０ｂ、及び第１部分２０ａと同じ幅の第３部分２０ｃとを含み、第１部分２０ａと第２部分２０ｂとの間を滑らかに接続する拡幅領域２０ｄと、第２部分２０ｂと第３部分２０ｃとの間を滑らかに接続する縮幅領域２０ｅとを備える。
光導波路２０の平面形状を、例えば図２に示すような形状にすると、光導波路２０のｙ方向の中心の実効屈折率が高くなる。実効屈折率が高くなると当該部分の均一回折格子３０（共振器）ストップバンドの波長は長波長側にシフトする。
図３は、均一回折格子３０のストップバンドがオフセットする様子を模式的に示す図である。横軸はｙ方向の位置、縦軸はブラック波長である。
図３に示すように、光導波路２０のｙ方向の中心部分のストップバンドの波長は長波長側にシフト（オフセット）する。このオフセットしたストップバンド内の位相条件の合う光が、光導波路２０の最も幅の広い第２部分２０ｂに局在することになる。
半導体光素子１００は、局在する光の特定の波長で発振し、当該波長のレーザ光を発光する。図３中に、特定の波長を細かい点線で模式的に示す。
均一回折格子３０を用いただけでは、長波長側と短波長側の両方のストップバンド端の波長で発振する。しかし、均一回折格子３０のストップバンドをオフセットさせることで単一のモードでレーザ発振させることができる。
本実施形態に係る光導波路２０と均一回折格子３０を備える構成は、以降、屈折率変調型回折格子と称する。また、均一回折格子３０のストップバンドのオフセット量は、屈折率の変調深さΔλｂを表す（図３）。
図４は、均一回折格子３０のストップバンドの透過スペクトルを示す。横軸は波長（μm）、縦軸は透過率である。図４に示すように、1.549μmの波長においてＱ値の高い透過特性を示す。
図５は、半導体光素子１００の閾値利得を示す。横軸は図４と同じである。縦軸は閾値利得（cm-1）である。図５に示すように、1.549μmの波長において閾値利得が最も下がっていることが分かる。
図６は、光導波路２０のｙ方向に沿った光強度分布を示す。横軸はｙ方向の位置、縦軸は光パワーである。なお、点線は一般的なλ/4シフト回折格子の光強度分布を示す。
図６に示すように、本実施形態に係る光導波路２０のｙ方向の中心の光局在が緩和されている様子が分かる。光局在が緩和されることで、空間ホールバーニングを生じ難くし、発振モードの不安定化を抑制することができる。
なお、光導波路２０は、延伸方向（ｙ）に沿い該延伸方向と直交する向き（ｘ）の幅を変化させる例を示したが、延伸方向の厚さを変化させても良い。延伸方向の幅を変化させた場合と同じ作用効果が得られる。
以上説明したように本実施形態に係る半導体光素子１００は、電流注入状態において発光する発光層１０と、発光層１０の延伸方向に沿い該延伸方向の幅又は厚さが変化する光導波路２０と、周期、幅、及び深さが一定の均一回折格子３０とを備え、発光層１０と光導波路２０と均一回折格子３０のそれぞれは、光学的に結合する位置に配置される。また、均一回折格子３０は、発光層１０の上に配置され、光導波路２０は発光層１０の下に配置される。
また、光導波路２０は、該延伸方向に、所定の幅の第１部分２０ａ、該第１部分２０ａよりも幅の広い第２部分２０ｂ、及び第１部分２０ａと同じ幅の第３部分２０ｃとを含み、第１部分２０ａと第２部分２０ｂとの間を滑らかに接続する拡幅領域２０ｄと、第２部分２０ｂと第３部分２０ｃとの間を滑らかに接続する縮幅領域２０ｅとを備える。
これにより、屈折率変調型回折格子は、λ/4シフト回折格子と比較して空間ホールバーニング耐性が高く、レーザ光の狭線幅化に対して有効な半導体光素子を実現することができる。また、均一回折格子３０を用いるので、λ/4シフト回折格子或いは周期変調型回折格子を用いるよりも製造が容易であり、半導体光素子の製造歩留まりを向上させコストダウンすることができる。
（半導体光素子の断面構成）
図７は、半導体光素子１００のより具体的な断面構成の例を示す図である。図７に示す半導体光素子１００は、ｚ方向の下層からＳｉ基板１０１、光導波路２０、発光層１０、均一回折格子３０、及び電極部４０を積層したものである。各層は図の奥行方向（ｙ）に長い形状である。
光導波路２０は、ＳｉＯ２膜で構成されるクラッド層２１と、クラッド層２１に囲まれたシリコンコア２２を含む。シリコンコア２２は、発光層１０に近い層の上側に配置される。光導波路２０は、図２に示す平面形状をしている。
発光層１０は、不純物ドープされたｐ型ＩｎＰ（ｐ－ＩｎＰ）１１とｎ型ＩｎＰ（ｎ－ＩｎＰ）１３の間にＩ層１２を備える。Ｉ層１２は、真性半導体であり、活性層１２ａを含む。活性層１２ａの材質は、例えばＩｎＧａＡｓＰである。なお、図１に示した発光層１０は、活性層１２ａに相当する。
ｐ型ＩｎＰ１１は、ＩｎＧａＡｓ膜を介してアノード電極４０Ａにオーミックに接続される。ｎ型ＩｎＰ１３は、ＩｎＧａＡｓ膜を介してカソード電極４０Ｂにオーミックに接続される。
Ｉ層１２の全部、ｐ型ＩｎＰ１１の一部、及びｎ型ＩｎＰ１３の位置のそれぞれの表面には、均一回折格子３０が配置される。均一回折格子３０は、周期と幅のデューティ比、及び深さが一定の回折格子である。
（半導体光素子の特性）
図８は、基本モードの閾値利得gth0、高次モードの閾値利得gth1、及びそれらの利得差Δgthのそれぞれと変調深さΔλｂの関係を計算した結果の例を示す。図８に示すように変調深さΔλｂを増やすと基本モードの閾値利得gth0は低下する。また、変調深さΔλｂを増やすと高次モードの閾値利得gth1は増加し、その後低下する。
高次モードの閾値利得gth1が増加するのは、ストップバンドのオフセットにより、長波長側の発振モードが抑制されるためである。また、閾値利得gth1がその後低下するのは、ストップバンド内に高次モードが生成される為だと考えられる。
図８に示すように、閾値利得差Δgthを大きくして安定な単一モード発振を実現するためには、適度な変調深さΔλｂにする必要があることが分かる。
（空間ホールバーニング耐性を高める構成）
図９は、空間ホールバーニングにより、光導波路２０の延伸方向の両端部の屈折率が相対的に低下する様子を模式的に示す図である。図９の上側の図は、光導波路２０のｙ方向の位置（横軸）とブラック波長（縦軸）の関係を示す。下側の図は、光導波路の平面形状を模式的に示す。図９（ａ）は電流を注入する前、図９（ｂ）は電流を注入している場合を示す。
図９（ｂ）に示すように、電流を注入すると空間ホールバーニングにより、光導波路２０の両端部の屈折率が相対的に低下する。屈折率が低下するとブラック波長は低下する。
光導波路２０の両端部の屈折率が低下する屈折率分布により、発振モードが不安定になる。そこで、予め光導波路２０の両端部の屈折率が低下する屈折率分布を打ち消すようにその両端部の幅を広げておくと良い。
図１０は、光導波路２０の両端部の幅を広げた例を模式的に示す図である。図１０（ａ）は電流を注入する前、図１０（ｂ）は電流を注入している場合を示す。
図１０に示すように、光導波路２０の両端部の幅を広くすることにより、電流注入時における空間ホールバーニングによる屈折率分布の変化と、光導波路２０の両端部の幅を広げて設けた屈折率分布とが打ち消し合い均一な屈折率分布が得られる。つまり、空間ホールバーニング耐性を高めることができる。
このように、光導波路２０の延伸方向の両端部の幅は、該両端部より内側の所定の幅よりも広くする。これにより、電流注入時におい安定な単一モード発振が可能になる。この構成は、特に大電流を注入する場合に有効である。
（基本モードと高次モードの閾値利得差を大きくする構成）
狭線幅化するためには、共振器損を下げることが有効であることは既に説明したとおりである。基本モ－ドの共振器損を下げるためには、均一回折格子３０の結合係数を上げる、又は均一回折格子３０の長さを長くする必要がある。
しかしながら、均一回折格子３０の結合係数を上げる、又は均一回折格子３０の長さを長くすると高次モードの閾値利得が下がり多モード発振が生じ易くなる。そのため、基本モードの閾値利得を下げつつ、高次モードとの閾値利得差を大きくするのが望ましい。
図１１は、その具体策の一例を示す図である。図１１（ａ）は、均一回折格子３０のストップバンドがオフセットする様子を模式的に示す図であり図３と同じである。図３に示したオフセットをオフセットＸと表記している。なお、横軸（ｙ方向の位置）と縦軸（ブラック波長）の表記は省略している。
図１１（ｂ）は、オフセットＸと逆方向のオフセットＹを設けた様子を示す図である。オフセットＹは、短波長側の高次モード発振を抑制する。
図１２は、オフセットＹをパラメータに、オフセットＸを変化させた場合の基本モードの閾値利得の変化を計算した結果を示す図である。横軸はオフセットＸ（nm）、縦軸は基本モードの閾値利得（cm-1）である。
図１２に示すように、オフセットＹを設けない場合はオフセットＸの増加に対して閾値利得は低下する特性を示す。オフセットＹを設けると、閾値利得にピークを持つ特性に変化する。
図１３は、オフセットＹをパラメータに、オフセットＸを変化させた場合の基本モードと高次モードの閾値利得差の変化を計算した結果を示す図である。横軸はオフセットＸ（nm）、縦軸は基本モードと高次モードとの閾値利得差（cm-1）である。
図１３に示すように、オフセットＹを設けることで基本モードと高次モードとの閾値利得差を大きくできることが分かる。オフセットＹ＝0.0nmの閾値利得差は22cm-1、オフセットＹ＝0.5nmの閾値利得差は26cm-1、オフセットＹ＝1.0nmの閾値利得差は28cm-1、オフセットＹ＝1.5nmの閾値利得差は25cm-1である。
このように、オフセットＹを設けることで基本モードの共振器損を下げつつ、基本モードと高次モードとの閾値利得差を大きくすることができる。したがって、狭線幅化と発振モードの安定化の両立を図ることができる。
図１４は、オフセットＸとオフセットＹの二つを設けた光導波路２０の平面形状の例を模式的に示す図である。オフセットＸ，Ｙを設けた光導波路２０は、第１部分２０ａよりも幅の狭い第２部分２０ｂと、第３部分２０ｃよりも幅の狭い第４部分２０ｄと、第１部分２０ａと同じ幅の第５部分２０ｄを含む点で異なる。
図１４に示す光導波路２０は、該延伸方向に、所定の幅の第１部分２０ａ、該第１部分２０ａよりも幅の狭い第２部分２０ｂ、第１部分２０ａよりも幅の広い第３部分２０ｃ、該第３部分２０ｃよりも幅の狭い第４部分２０ｆ、及び第１部分２０ａと同じ幅の第５部分２０ｇとを含み、第１部分２０ａと第３部分２０ｃとの間を滑らかに接続する第１連結部分２０ｈと、第３部分２０ｃと第５部分２０ｇとの間を滑らかに接続する第２連結部分２０ｉとを備える。これにより、狭線幅化と発振モードの安定化の両立を図ることができる。
（変形例１）
図１５は、半導体光素子１００の変形例の断面構成の例を示す図である。図１５に示す変形例１は、均一回折格子３０をシリコンコア２２（図７）と同じ平面上に配置したものである。
図１５に示すように、光導波路２０の延伸方向（ｙ）に沿った両側に均一回折格子３０を配置するようにしても良い。このように均一回折格子３０を配置しても上記の実施形態（図７）と同じ作用効果を得ることができる。
（変形例２）
図１６は、光導波路２０の変形例の平面形状を模式的に示す図である。図１６に示す変形例２の光導波路２０は、第２部分２０ｂの幅が第１部分２０ａよりも狭い点で上記の実施形態と異なる。
図１６に示す光導波路２０は、該延伸方向に、所定の幅の第１部分２０ａ、該第１部分２０ａよりも幅の狭い第２部分２０ｂ、及び第１部分２０ａと同じ幅の第３部分２０ｃとを含み、第１部分２０ａ、第２部分２０ｂ、及び第３部分２０ｃを滑らかに接続する連結部分２０ｊを備える。このように、光導波路２０のｙ方向の中心部分の幅を狭くしても良い。第２部分２０ｂの幅を第１部分２０ａよりも狭くすることで、長波長側を選択するバンドオフセットを設けることができる。
（変形例３）
図１７は、光導波路２０の他の変形例の平面形状を模式的に示す図である。図１７に示す変形例３の光導波路２０は、第１部分２０ａの位置を光導波路２０のｙ方向の中心からずらした点で上記の実施形態と異なる。
図１７に示すように、第１部分２０ａの位置を光導波路２０のｙ方向の中心からずらすことで、光導波路２０の一方の反射率を高くすることができレーザ光の出射方向を選択することができる。
以上説明したように本実施形態に係る半導体光素子１００は、空間ホールバーニング耐性が高く、レーザ光の狭線幅化に対して有効な半導体光素子を実現することができる。また、均一回折格子３０を用いるので、λ/4シフト回折格子を用いるよりも製造が容易であり、半導体光素子の製造歩留まりを向上させコストダウンすることができる。
なお、光導波路２０は、シリコンコア２２とＳｉＯ２膜で構成されるクラッド層２１を含む例で示した。この例の光導波路２０は製造が容易である。なお、本発明はこの例に限定されない。例えば、ＳｉＮコア、ＡｉＮコア、ＳｉＯＸクラッド、及びＳｉＣクラッド等の光導波路に用いられる材料であれば何れの材料を用いて光導波路２０を構成しても構わない。
また、上記の実施形態は、光導波路２０の延伸方向（ｙ）と直交する方向の幅を変化させる例を示したがこの例に限られない。例えば、光導波路２０の延伸方向（ｙ）の厚み或いは材料屈折率を変化させるようにしても良い。また、拡幅領域２０ｄ、縮幅領域２０ｅ、第１連結部分２０ｈ、第２連結部分２０ｉ、及び連結部分２０ｊは、第１部分２０ａと第２部分２０ｂ等の間を滑らかに接続すると説明したが、その滑らかな部分は、ガウス関数、放物線関数、Ｎ次関数、及び三角関数等の何れの関数で接続しても良い。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
１０：発光層
１２ａ：活性層
２０：光導波路
２０ａ：第１部分
２０ｂ：第２部分
２０ｃ：第３部分
２０ｄ：拡幅領域
２０ｅ：縮幅領域
２０ｆ：第４部分
２０ｇ：第５部分
２０ｈ：第１連結部分
２０ｉ：第２連結部分
２０ｊ：連結部分
３０：均一回折格子
４０：電極部
４０Ａ：アノード電極
４０Ｋ：カソード電極
１００：半導体光素子

Claims (4)

  1. 電流注入状態において発光する発光層と、
    前記発光層の延伸方向に沿い該延伸方向の幅又は厚さが変化する光導波路と、
    周期、幅、及び深さが一定の均一回折格子と、を備え、
    前記発光層と前記光導波路と前記均一回折格子のそれぞれは、光学的に結合する位置に配置され、
    前記均一回折格子は、前記発光層の上に配置され、前記光導波路は前記発光層の下に配置される
    半導体光素子。
  2. 電流注入状態において発光する発光層と、
    前記発光層の延伸方向に沿い該延伸方向の幅又は厚さが変化する光導波路と、
    周期、幅、及び深さが一定の均一回折格子と、を備え、
    前記発光層と前記光導波路と前記均一回折格子のそれぞれは、光学的に結合する位置に配置され、
    前記光導波路は、該延伸方向に、所定の幅の第１部分、該第１部分よりも幅の狭い第２部分、前記第１部分よりも幅の広い第３部分、該第３部分よりも幅の狭い第４部分、及び前記第１部分と同じ幅の第５部分とを含み、
    前記第１部分と前記第３部分との間を滑らかに接続する第１連結部分と、前記第３部分と前記第５部分との間を滑らかに接続する第２連結部分とを備える
    半導体光素子。
  3. 電流注入状態において発光する発光層と、
    前記発光層の延伸方向に沿い該延伸方向の幅又は厚さが変化する光導波路と、
    周期、幅、及び深さが一定の均一回折格子と、を備え、
    前記発光層と前記光導波路と前記均一回折格子のそれぞれは、光学的に結合する位置に配置され、
    前記光導波路は、該延伸方向に、所定の幅の第１部分、該第１部分よりも幅の広い第２部分、及び前記第１部分と同じ幅の第３部分とを含み、
    前記第１部分と前記第２部分との間を滑らかに接続する拡幅領域と、前記第２部分と前記第３部分との間を滑らかに接続する縮幅領域とを備え
    前記光導波路の延伸方向の両端部の幅は、前記第１部分の幅よりも広い
    半導体光素子。
  4. 電流注入状態において発光する発光層と、
    前記発光層の延伸方向に沿い該延伸方向の幅又は厚さが変化する光導波路と、
    周期、幅、及び深さが一定の均一回折格子と、を備え、
    前記発光層と前記光導波路と前記均一回折格子のそれぞれは、光学的に結合する位置に配置され、
    前記光導波路は、シリコンコアとＳｉＯ２クラッドとを含む
    半導体光素子。
JP2021530388A 2019-07-09 2019-07-09 半導体光素子 Active JP7277825B2 (ja)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2019/027095 WO2021005700A1 (ja) 2019-07-09 2019-07-09 半導体光素子

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2021005700A1 JPWO2021005700A1 (ja) 2021-01-14
JP7277825B2 true JP7277825B2 (ja) 2023-05-19

Family

ID=74114437

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021530388A Active JP7277825B2 (ja) 2019-07-09 2019-07-09 半導体光素子

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20220393430A1 (ja)
JP (1) JP7277825B2 (ja)
WO (1) WO2021005700A1 (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022259448A1 (ja) * 2021-06-10 2022-12-15 日本電信電話株式会社 半導体レーザおよびその製造方法
JPWO2022269848A1 (ja) * 2021-06-24 2022-12-29

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160104997A1 (en) 2014-10-10 2016-04-14 Nlight Photonics Corporation Multiple flared laser oscillator waveguide
JP2016171173A (ja) 2015-03-12 2016-09-23 日本電信電話株式会社 半導体光素子

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6189690A (ja) * 1984-10-09 1986-05-07 Fujitsu Ltd 半導体レ−ザ
JPS61216383A (ja) * 1985-03-20 1986-09-26 Nec Corp 分布帰還型半導体レ−ザ
JPS63186A (ja) * 1986-06-19 1988-01-05 Fujitsu Ltd 半導体レ−ザ
JP2609776B2 (ja) * 1990-06-12 1997-05-14 株式会社東芝 半導体レーザ
US5272714A (en) * 1991-12-12 1993-12-21 Wisconsin Alumni Research Foundation Distributed phase shift semiconductor laser
JPH1051066A (ja) * 1996-08-05 1998-02-20 Fujitsu Ltd 分布帰還型半導体レーザ装置
JP3885978B2 (ja) * 1997-01-31 2007-02-28 シャープ株式会社 利得結合分布帰還型半導体レーザ装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160104997A1 (en) 2014-10-10 2016-04-14 Nlight Photonics Corporation Multiple flared laser oscillator waveguide
JP2016171173A (ja) 2015-03-12 2016-09-23 日本電信電話株式会社 半導体光素子

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2021005700A1 (ja) 2021-01-14
WO2021005700A1 (ja) 2021-01-14
US20220393430A1 (en) 2022-12-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8477819B2 (en) Semiconductor laser diode device and method of fabrication thereof
JP2689698B2 (ja) αパラメータ符号を反転させた半導体素子
JP2005510090A (ja) ブロードバンド・コミュニケーション・システムのための面発光ｄｆｂレーザ構造およびこの構造の配列
US6577660B1 (en) Distributed feedback type semiconductor laser device having gradually-changed coupling coefficient
JP2982422B2 (ja) 半導体レーザおよびその製造方法
JP2016072608A (ja) 半導体レーザおよびこれを備える光集積光源
JP7277825B2 (ja) 半導体光素子
US7949020B2 (en) Semiconductor laser and optical integrated semiconductor device
US20040258119A1 (en) Method and apparatus for suppression of spatial-hole burning in second of higher order DFB lasers
JP4905854B2 (ja) 直接変調波長可変レーザ
US6111906A (en) Distributed-feedback semiconductor laser
JP5310533B2 (ja) 光半導体装置
JP2005513803A (ja) 利得格子または吸収格子付き位相シフト面発光ｄｆｂレーザ構造
JP2002084033A (ja) 分布帰還型半導体レーザ
US6526087B1 (en) Distributed feedback semiconductor laser
RU2540233C1 (ru) Инжекционный лазер с многоволновым модулированным излучением
JPH11195838A (ja) 分布帰還型半導体レーザ
JP6927153B2 (ja) 半導体レーザ
US10680409B2 (en) Laser device
JP4309636B2 (ja) 半導体レーザおよび光通信用素子
JP2005117045A (ja) 利得固定半導体光増幅器
Zheng et al. Monolithically integrated four-channel DFB semiconductor laser array with an equivalent-distributed coupling coefficient
JPH08274406A (ja) 分布帰還型半導体レーザ装置及びその製造方法
JP2015109303A (ja) 波長可変レーザ光源
WO2024100836A1 (en) Semiconductor laser, method of designing diffraction grating layer of semiconductor laser, and method of manufacturing semiconductor laser

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20211214

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20221206

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230202

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20230404

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20230417

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7277825

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150