JPWO2013115179A1 - 半導体光素子、集積型半導体光素子および半導体光素子モジュール - Google Patents
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Abstract
半導体基板上に形成された光導波路を備える半導体光素子であって、前記光導波路は、入力された光を単一モードで導波する単一モード導波部と、前記光の導波方向に対して前記単一モード導波部の後段側に配置された曲げ部と、前記導波方向に対して前記曲げ部の後段側に配置され、前記導波方向に向かって導波路幅が広くなるように形成されており、前記光の入射側では前記光を単一モードで導波し、前記光の出射側では前記光を多モードで導波し得る導波路幅を有するフレア部と、を備える半導体光素子。
Description
本発明は、光通信等に用いられる半導体光素子、集積型半導体光素子および半導体光素子モジュールに関するものである。
光通信において、光伝送路である光ファイバ中での光信号の減衰や、光部品による光信号の損失を補償するために、光増幅器が用いられている。光増幅器としては、小型化や集積性の観点から半導体光増幅器が有望である。
半導体光増幅器には、光導波路端面の反射による光共振を積極的に利用する共振型と、端面の反射を極力なくす進行波型がある。進行波型は、増幅特性の波長依存性が小さいことなどの利点がある。
進行波型の半導体光増幅器を含む半導体光素子では、たとえば劈開面である端面の反射を低減するため、端面付近において光導波路を端面に対して傾ける構造がとられることがある。この場合、端面付近に曲げ導波路を設け、端面においては光導波路が端面に対して傾くようにし、それ以外の箇所では、端面に対して垂直な光導波路とする構造がとられることがある(たとえば特許文献1参照)。
一方、半導体光増幅器では、光強度が大きい場合には出力が飽和しやすいという課題がある。この課題を解決し、出力光強度を高めるために、出力側端面に近づくにつれて導波路幅が広くなるフレア構造が用いられることがある(たとえば特許文献2参照)。
しかしながら、本発明者らが、端面反射の低減と出力光強度の向上とを同時に実現するために、上述した曲げ導波路とフレア構造とを組み合わせた構成とした半導体光素子を構成したところ、出力光に横多モードの光が含まれる場合があり、好ましい横基本モードでの単一モード性が高い出力光にならない場合があるという問題があった。以下、モードとは横モードを意味するものとする。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、端面反射の低減、出力光強度の向上、および単一モード性が高い出力光を同時に実現することができる半導体光素子、集積型半導体光素子および半導体光素子モジュールを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る半導体光素子は、半導体基板上に形成された光導波路を備える半導体光素子であって、前記光導波路は、入力された光を単一モードで導波する単一モード導波部と、前記光の導波方向に対して前記単一モード導波部の後段側に配置された曲げ部と、前記導波方向に対して前記曲げ部の後段側に配置され、前記導波方向に向かって導波路幅が広くなるように形成されており、前記光の入射側では前記光を単一モードで導波し、前記光の出射側では前記光を多モードで導波し得る導波路幅を有するフレア部と、を備えることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体光素子は、上記の発明において、前記曲げ部は、前記光を単一モードで導波することを特徴とする。
また、本発明に係る半導体光素子は、上記の発明において、前記光導波路は活性層を含むことを特徴とする。
また、本発明に係る半導体光素子は、上記の発明において、前記光導波路は、前記半導体基板の主表面である(001)面上に形成されており、前記単一モード導波部は、前記半導体基板の<110>方向に沿って延伸しており、前記フレア部は、前記半導体基板の<110>方向から傾斜するように形成されていることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体光素子は、上記の発明において、前記光導波路の光の出射側は前記半導体基板の劈開端面であることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体光素子は、上記の発明において、前記光導波路はリッジ導波路で構成されていることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体光素子は、上記の発明において、半導体光増幅素子であることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体光素子は、上記の発明において、半導体発光素子であることを特徴とする。
また、本発明に係る集積型半導体光素子は、上記の発明の半導体光素子を備えることを特徴とする。
また、本発明に係る集積型半導体光素子は、上記の発明において、半導体レーザ素子であることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体光素子モジュールは、上記の発明の半導体光素子または集積型半導体光素子を備えることを特徴とする。
本発明によれば、端面反射の低減、出力光強度の向上、および単一モード性が高い出力光を同時に実現することができるという効果を奏する。
以下に、図面を参照して本発明に係る半導体光素子、集積型半導体光素子および半導体光素子モジュールの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係や比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
(実施の形態1)
はじめに、本発明の実施の形態1について説明する。本実施の形態1は、光通信において用いられている1.55μm波長帯の光が入力され、これを増幅して出力する半導体光増幅素子である。
はじめに、本発明の実施の形態1について説明する。本実施の形態1は、光通信において用いられている1.55μm波長帯の光が入力され、これを増幅して出力する半導体光増幅素子である。
図1は、本実施の形態1に係る半導体光増幅素子の導波路構造を示す模式的な平面図である。なお、導波路構造の説明のため、後述するp側電極等の導波路構造以外の要素は、図示を省略している。図1に示すように、この半導体光増幅素子100は、光入射端面101と、光出射端面102と、光入射端面101と光出射端面102との間に形成された光増幅導波路110とを備えている。光増幅導波路110は、光入射端面101から光出射端面102に向かって順次接続した、入力側直線部111、入力側曲げ部112、主直線部113、出力側曲げ部114、フレア部115、および出力側直線部116を有している。
図2は、図1のA−A線要部断面図である。図2に示すように、半導体光増幅素子100は、基板120上に、下部クラッド層121、光導波路となる活性層122、上部クラッド層123、下部電流ブロック層124、上部電流ブロック層125、上部クラッド層126、コンタクト層127、p側電極128が形成され、さらに基板120の裏面にはn側電極129が形成されることによって構成されている。
基板120は、主表面が(001)面であるn−InPからなる。下部クラッド層121は、n−InPからなる。活性層122は、分離閉じ込めヘテロ構造を有するGaInAsP多重量子井戸を備えている。活性層122の総厚は100nmである。上部クラッド層123、126は、p−InPからなる。下部クラッド層121、活性層122、上部クラッド層123は、この順に積層し、メサストライプを形成している。下部電流ブロック層124および上部電流ブロック層125は、この順に積層し、メサストライプの両側を埋めている。下部電流ブロック層124はp−InPからなり、上部電流ブロック層125はn−InPからなる。上部クラッド層126およびコンタクト層127は、上部クラッド層123と上部電流ブロック層125との上に、この順に積層している。コンタクト層127は、p−GaInAsからなる。p側電極128は、コンタクト層127上に形成されており、Ti/Pt構造を有する。n側電極129はAuGeNiからなる。
図1に戻る。光入射端面101および光出射端面102は、基板120の(001)面上に上述した半導体積層構造が形成されたエピタキシャル基板を、劈開して形成されたものであり、基板120の結晶の(110)面と一致する。光入射端面101および光出射端面102には誘電体等からなる低反射膜が形成されている。
入力側直線部111は、その一端が光入射端面101に面するように形成されている。また、入力側直線部111は、光入射端面101の法線の方向である、基板120の結晶の<110>方向から、角度8°だけ傾斜するように形成されている。主直線部113は、光入射端面101および光出射端面102に対して垂直な<110>方向に沿って延伸している。入力側曲げ部112は、入力側直線部111と主直線部113とを接続している。
フレア部115は、光出射端面102の法線の方向である<110>方向から角度8°だけ傾斜するように形成されている。フレア部115の導波路幅は、光の導波方向に向かって順次広くなるように形成されている。出力側曲げ部114は、主直線部113とフレア部115とを接続している。出力側直線部116は、その一端が光出射端面102に面するように、<110>方向から角度8°だけ傾斜するように形成されている。すなわちフレア部115と出力側直線部116とは直線状に配置されている。なお、傾斜角度は8°が好ましいが、これに限定されるものではない。
つぎに、各部分の寸法を説明する。なお、寸法は例示であって、特にこれらに限定されるものではない。
入力側直線部111、入力側曲げ部112、主直線部113、出力側曲げ部114の導波路幅は略等幅の2.5μmであり、1.55μm波長帯の光が単一モードで導波するように設定されている。主直線部113は単一モード導波部を構成している。フレア部115の導波路幅は、2.5μmから4μmまで、たとえば線形に拡大している。出力側直線部116の導波路幅は4μmである。
入力側直線部111、入力側曲げ部112、主直線部113、出力側曲げ部114の導波路幅は略等幅の2.5μmであり、1.55μm波長帯の光が単一モードで導波するように設定されている。主直線部113は単一モード導波部を構成している。フレア部115の導波路幅は、2.5μmから4μmまで、たとえば線形に拡大している。出力側直線部116の導波路幅は4μmである。
入力側直線部111および出力側直線部116の導波路長は50μmに設計されている。入力側直線部111および出力側直線部116の導波路長は、光入射端面101と光出射端面102とを形成する際の劈開の位置精度より大きく設計すれば、劈開位置に誤差があっても確実に入力側直線部111および出力側直線部116が形成されるので好ましい。
入力側曲げ部112および出力側曲げ部114は、円弧状に屈曲しており、入力側直線部111と主直線部113、または主直線部113とフレア部115とを接続するようにその曲率および導波路長が設定されている。また、入力側曲げ部112および出力側曲げ部114において基本モードの曲げ損失が増大しないような曲率とすることが好ましい。入力側曲げ部112および出力側曲げ部114の曲率半径はいずれも1000μmであり、導波路長はいずれも約120μmである。フレア部115の長さは500μmである。また、半導体光増幅素子100の全長は1600μmである。
つぎに、半導体光増幅素子100の動作について説明する。p側電極128とn側電極129との間に電圧を印加し、活性層122に電流を注入する。このとき、電流は、下部電流ブロック層124および上部電流ブロック層125の作用によって活性層122に効率的に注入される。電流を注入した状態で、光入射端面101から光増幅導波路110の入力側直線部111に、増幅すべき1.55μm波長帯のレーザ光等の光L1が入力されると、光増幅導波路110の入力側直線部111、入力側曲げ部112、主直線部113、出力側曲げ部114、フレア部115、および出力側直線部116が光L1を順次導波しながら、活性層122の光増幅作用によって光L1を増幅し、光出射端面102に面した出力側直線部116から増幅光L2として出力する。
この半導体光増幅素子100では、光入射端面101および光出射端面102において、光増幅導波路110の入力側直線部111または出力側直線部116が、対応する端面に対して傾けられているので、各端面において低い反射率が得られる。たとえば、光入射端面101および光出射端面102に低反射膜を形成した状態で、光入射端面101の反射率を10−4、光出射端面102の反射率を10−6とすることができる。この反射率は光入射端面101および光出射端面102に公知の窓構造を採用することで、さらに低減することができる。
また、この半導体光増幅素子100では、光増幅導波路110がフレア部115を有しており、光の導波方向である光出射端面102側に向かって導波路幅が広がっているので、たとえば飽和出力光強度として20dBm以上という良好な出力特性を実現することができる。
さらに、光増幅導波路110は、光の入力側である入力側直線部111、入力側曲げ部112、主直線部113、および出力側曲げ部114は、入力された光を単一モードで導波する。一方、光の出力側であるフレア部115、および出力側直線部116は、導波路幅が広いため、出力側曲げ部114から入力された光を多モードで導波し得るような構造となっている。たとえば、上記に例示した半導体材料の場合は、光増幅導波路110が単一モード導波路となる導波路幅は3.0μm以下である。そのため、光増幅導波路110が光を確実に単一モードで導波する導波路幅となっているのは、入力側直線部111から、フレア部115の入力側からおよそ160μmの位置までであり、その位置から光出射端面102側では、光増幅導波路110は光を多モードで導波し得るような導波路幅となっている。フレア部115の入力側からおよそ160μmまでの部分を単一モード部115aとする。
ここで、出力側曲げ部114などの曲げ導波路では、基本モードの光が入力されたとしても、基本モード以外のモード成分が励起され得る。このような励起は、特に直線導波路との接続部分において発生し易い。このような励起が発生すると、その後の光導波路が光を多モードで導波し得る導波路の場合は、多モードの光の導波が発生する。
しかしながら、本実施の形態1に係る半導体光増幅素子100は、出力側曲げ部114に続くフレア部115の単一モード部115aが存在する。出力側曲げ部114の前後の接続部で励起された基本モードの成分は単一モードで導波するが、基本モード以外のモード成分は、出力側曲げ部114および単一モード部115aでは放射モードとなる。そのため、出力側曲げ部114および単一モード部115aは、フレア部115を基本モード以外のモード成分の光がそれ以上導波することや、さらには出力側直線部116から出力されることを防止または抑制する。
ここで、単一モードとは、導波路を伝搬可能な導波モードが特定の偏光について単一であることを意味する。理想的な単一モードでは高次の導波モードの伝搬解自体が存在しないが、本発明の効果を得るためには、高次の導波モードがあったとしても、基本モードとの強度比が十分に大きい疑似単一モードであっても足りる。疑似単一モードの場合、基本モードと高次モードとでの伝搬損失の差が20dB/mm程度以上あることが望ましい。これにより単一モード導波路部の長さが0.5mm前後の実用的な設計でも、高次モードに10dBの損失を与えることができる。
以上のようにして、光出射端面102で出力側直線部116から出力される増幅光L2の単一モード性が高くなる。また、基本モード以外のモード成分の光の増幅に電力が消費されることが防止または抑制されるので、基本モードの増幅効率を高くできる。
本実施の形態1に係る半導体光増幅素子100の作用を比較形態との比較によってさらに具体的に説明する。図3は、比較形態に係る半導体光増幅素子の導波路構造を示す模式的な平面図である。この半導体光増幅素子100Aは、半導体光増幅素子100と比較して、フレア部115が主直線部113と直接接続し、<110>方向に沿って延伸している点、および、フレア部115と出力側直線部116とが出力側曲げ部114Aを介して接続している点が異なるものである。出力側曲げ部114Aの曲率半径は1000μmであり、導波路長は約120μmであり、導波路幅は4μmである。
この半導体光増幅素子100Aでは、出力側曲げ部114A、およびその前後に接続しているフレア部115および出力側直線部116が光を多モードで導波し得る。このため、出力側曲げ部114Aとその前後との接続部で発生した基本モード以外のモード成分の光は、出力側曲げ部114Aおよび出力側直線部116を高次モードの光として伝搬する。この高次モードの光は出力側曲げ部114Aおよび出力側直線部116で増幅されながら、光出射端面102まで到達する。
このように、半導体光増幅素子100、100Aを比較すると、出力側曲げ部に起因して発生した基本モード以外の成分の光が、放射されるか、高次モードの光としてその後も伝搬するのかが異なる。
比較形態である半導体光増幅素子100Aの場合は、高次モードの光は光導波路内で増幅されるため、放射された場合に比べてパワーが大きくなる。さらに、高次モードの光は導波モードとして、光出射端面102まで到達するため、その後出力された光をレンズ等で集光する場合にも、基本モードの光との分離が難しい。
これに対して、本実施の形態1に係る半導体光増幅素子100の場合は、発生した基本モード以外の成分の光は放射される。そのため、放射後の当該光は光増幅されない。さらには、放射される場所は、光出射端面102とは異なる。したがって、光出射端面102で出力側直線部116から出力される基本モードの増幅光をレンズ等で集光する場合、その基本モードの増幅光の集光点には、放射された光は集光しない。したがって、放射された光と基本モードの増幅光との分離が容易である。これによって、単峰型の良好なビームパターンを有する増幅光を得ることができる。
図4は、本実施の形態1に係る半導体光増幅素子100の光出射端面102で出力側直線部116から出力される出力光の横モードのFFP(Far Field Pattern)を示す図である。なお、図4では、測定されたFFPを実線で示すとともに、当該FFPとの比較のために、ガウシャンビームの形状も破線で示している。図4に示すように、測定されたFFPの形状はガウシャンビームの形状とほぼ一致していることがわかる。このように、出力光は、好ましい基本モードでの単一モード性が高い、良好なビームパターンの出力光となっている。
半導体光増幅素子100Aをモジュール化する際には、出力された増幅光は、高次モードの光の混在によってビームパターンが乱れるので、レンズや光ファイバへ光を結合させるための調整が困難である。これに対して、半導体光増幅素子100の場合は、良好なビームパターンを有する増幅光が得られるため、モジュール化のための組み立てが容易になるとともに、レンズや光ファイバへの結合効率を高くすることができる。
以上説明したように、本実施の形態1に係る半導体光増幅素子100は、端面反射の低減、出力光強度の向上、および単一モード性が高い出力光を同時に実現することができる。
ここで、本実施の形態1に係る半導体光増幅素子100の製造方法の一例を説明する。まず、基板120上に、MOCVD法などの公知の結晶成長方法を用いて、バッファ層を兼ねる下部クラッド層121、活性層122、上部クラッド層123をこの順に積層する。
つぎに、プラズマCVDなどの方法を用いて、全面にSiNx膜を堆積した後、公知のフォトリソグラフィ技術と誘電体エッチング技術とを用いて、光増幅導波路110の形状に対応した形状の、SiNx膜からなるマスクパターンを形成する。この際、次の半導体エッチング工程におけるサイドエッチング量を補正したマスクパターンとしておくことが好ましい。
つぎに、このマスクパターンをエッチングマスクとして、公知の方法を用いて、上部クラッド層123から活性層122を経て下部クラッド層121の一部にいたるまで、エッチングを行う。このエッチングはドライエッチングとウェットエッチングとを順次併用するものとしても良い。
その後、エッチングマスクとして用いたマスクパターンをそのまま選択成長マスクとして、MOCVD法等の公知の方法を用いて、下部電流ブロック層124および上部電流ブロック層125をこの順に積層する。さらに、マスクパターンを剥離し、MOCVD法等を用いて、上部クラッド層126およびコンタクト層127をこの順に積層する。
つぎに、フォトリソグラフィ技術を用いて、レジストパターンを形成し、コンタクト層127上にp側電極128を蒸着し、リフトオフにより電極パターンとする。さらに、基板120を研磨により所定の厚さまで薄くし、裏面にn側電極129を蒸着する。
その後、エピタキシャル基板を劈開して光入射端面101および光出射端面102を形成し、各端面に低反射膜を形成する。さらに劈開端面と垂直な方向に並んだ素子を1つずつに分離する。これによって、半導体光増幅素子100が完成する。
(実施の形態2)
つぎに、本発明の実施の形態2について説明する。本実施の形態2は、1.55μm波長帯のレーザ光を出力する波長可変型の集積型半導体レーザ素子である。
つぎに、本発明の実施の形態2について説明する。本実施の形態2は、1.55μm波長帯のレーザ光を出力する波長可変型の集積型半導体レーザ素子である。
図4は、本実施の形態2に係る集積型半導体レーザ素子の導波路構造を示す模式的な平面図である。なお、導波路構造の説明のため、後述するp側電極等の導波路構造以外の要素は、図示を省略している。
図4に示すように、この集積型半導体レーザ素子200は、複数のDFB(Distributed Feedback)レーザストライプ203と、複数の曲げ導波路204と、MMI光合流器205と、半導体光増幅器210とを一つの半導体基板上に集積した構造を有する。また、集積型半導体レーザ素子200は、光出射端面202を備えている。
図5は、図4のB−B線要部断面図である。図5に示すように、集積型半導体レーザ素子200の半導体光増幅器210の部分は、基板220上に、下部クラッド層221、光導波路となる活性層222、上部クラッド層223、224、コンタクト層225、絶縁膜226、平坦化ポリマー227、p側電極228が形成され、さらに基板220の裏面にはn側電極229が形成されることによって構成されている。
基板220は、主表面が(001)面であるn−InPからなる。下部クラッド層221は、n−InPからなる。活性層222は、分離閉じ込めヘテロ構造を有するAlGaInAsP多重量子井戸を備えている。活性層222の総厚は150nmである。上部クラッド層223、224は、p−InPからなる。コンタクト層225は、p−GaInAsからなる。上部クラッド層224およびコンタクト層225は、この順に積層するとともに、上部クラッド層223に対して上部に突出し、リッジ構造を形成している。上部クラッド層224の幅がリッジ導波路の導波路幅となる。絶縁膜226は、SiNxからなり、上部クラッド層223の表面と、上部クラッド層224およびコンタクト層225の側面とを覆っている。平坦化ポリマー227は、ポリイミドからなり、リッジ構造の表面が平坦になるように上部クラッド層224およびコンタクト層225を埋めている。p側電極228は、コンタクト層225および平坦化ポリマー227上に形成されており、Ti/Pt構造を有する。n側電極229はAuGeNiからなる。
図6は、図4のC−C線要部断面図である。図6に示すように、集積型半導体レーザ素子200の曲げ導波路204の部分は、図5に示す構造において、活性層222に換えてGaInAsPからなるコア層230が形成された構造を有する。また、p側電極228は形成されておらず、コンタクト層225の表面も絶縁膜226で覆われている。ここで、活性層222が利得を有する波長が1.55μm波長帯である場合、コア層230のGaInAsPの組成は、1.55μm波長帯の光に対して透明になるような組成に設定される。1.55μm波長帯の光に対して透明になるような組成とは、たとえば、バンドギャップ波長が、1.55μm波長帯よりも短波長である1.3μmとなる組成である。
DFBレーザストライプ203は、半導体光増幅器210と同様の断面構造を有しているが、活性層222の上方に回折格子を有する点が異なる。MMI光合流器205は曲げ導波路204と同様の断面構造を有している。
図4に戻る。光出射端面202は、基板220の(001)面上に上述した半導体積層構造が形成されたエピタキシャル基板を、劈開して形成されたものであり、基板220の結晶の(110)面と一致する。光出射端面202には誘電体等からなる低反射膜が形成されている。
DFBレーザストライプ203は、各々が幅2μm、長さ600μmのストライプ状のリッジ導波路構造を有する端面発光型レーザであり、集積型半導体レーザ素子200の一端において幅方向に25μmピッチで形成されている。DFBレーザストライプ203は、各DFBレーザストライプ203に備えられた回折格子の間隔を互いに異ならせることにより、レーザ発振波長が1530nm〜1570nmの範囲で相違するように構成されている。また、DFBレーザストライプ203の各レーザ発振波長は、集積型半導体レーザ素子200の設定温度を変化させることにより調整することができる。集積型半導体レーザ素子200は、駆動するDFBレーザストライプ203の切り替えと、その温度制御によって、広い波長可変範囲を実現している。
MMI光合流器205は、集積型半導体レーザ素子200の中央部付近に形成されている。各曲げ導波路204は、各DFBレーザストライプ203とMMI光合流器205との間に形成されており、各DFBレーザストライプ203とMMI光合流器205とを光学的に接続する。
半導体光増幅器210は、MMI光合流器205の出力側に接続している。半導体光増幅器210は、MMI光合流器205から光出射端面202に向かって順次接続した、主直線部213、出力側曲げ部214、フレア部215、および出力側直線部216を有している。
主直線部213は、光出射端面202の法線の方向である<110>方向に沿って延伸している。フレア部215は、光出射端面102の法線の方向である<110>方向から角度8°だけ傾斜するように形成されている。フレア部215の導波路幅は光の導波方向に向かって順次広くなるように形成されている。出力側曲げ部214は、主直線部213とフレア部215とを接続している。出力側直線部216は、その一端が光出射端面202に面するように、<110>方向から角度8°だけ傾斜するように形成されている。すなわちフレア部215と出力側直線部216とは直線状に配置されている。
つぎに、半導体光増幅器210の各部分の寸法を説明する。なお、寸法は例示であって、特にこれらに限定されるものではない。
主直線部213、出力側曲げ部214の導波路幅は2μmであり、1.55μm波長帯の光が単一モードで導波するように設定されている。主直線部213は単一モード導波部を構成している。フレア部215の導波路幅は、2μmから4μmまで、たとえば線形に拡大している。出力側直線部216の導波路幅は4μmである。
実施の形態1の場合と同様に、出力側直線部216の導波路長は、光出射端面202とを形成する際の劈開の位置精度より大きく設計すれば、劈開位置に誤差があっても確実に出力側直線部216が形成されるので好ましい。出力側直線部216の導波路長は50μmに設計されている。
出力側曲げ部214は、円弧状に屈曲しており、主直線部213とフレア部215とを接続するようにその曲率および導波路長が設定されている。また、出力側曲げ部214において基本モードの曲げ損失が増大しないような曲率とすることが好ましい。出力側曲げ部214の曲率半径は1000μmであり、導波路長は約120μmである。フレア部215の長さは400μmである。また、半導体光増幅器210の全長は1000μmである。
つぎに、集積型半導体レーザ素子200の動作について説明する。まず、複数のDFBレーザストライプ203から、所望の波長のレーザ光を出力できるものを1つ選択し、これを駆動する。複数の曲げ導波路204のうち駆動するDFBレーザストライプ203と光学的に接続している光導波路は、駆動されたDFBレーザストライプ203から出力されたレーザ光を導波し、MMI光合流器205に出力する。MMI光合流器205は、入力されたレーザ光を通過させて、半導体光増幅器210の主直線部213に出力する。半導体光増幅器210は、MMI合流器205から入力されたレーザ光を増幅して、光出射端面202に面する出力側直線部216から出力光L3として出力する。半導体光増幅器210は、駆動されたDFBレーザストライプ203からのレーザ光が受けた、MMI光合流器205による光の損失を補い、光出射端面202から所望の強度のレーザ光出力を得るために主に用いられる。
この集積型半導体レーザ素子200では、半導体光増幅器210の出力側直線部216が、光出射端面202に対して傾けられているので、光出射端面202において低い反射率が得られる。たとえば、光出射端面202に低反射膜を形成した状態での反射率を10−6とすることができる。
また、この集積型半導体レーザ素子200では、半導体光増幅器210がフレア部215を有しており、光の導波方向である光出射端面202側に向かって導波路幅が広がっているので、たとえば出力光強度として80mW以上という良好な出力特性を実現することができる。
また、上記に例示した半導体材料の場合は、リッジ導波路である半導体光増幅器210が単一モード導波路となる導波路幅は2.5μm以下である。そのため、半導体光増幅器210が光を確実に単一モードで導波する導波路幅となっているのは、主直線部213から、フレア部215の途中の位置までであり、その位置から光出射端面202側では、半導体光増幅器210は光を多モードで導波し得るような導波路幅となっている。フレア部215のうち光を確実に単一モードで導波する導波路幅となっている部分を単一モード部215aとする。
本実施の形態2に係る集積型半導体レーザ素子200は、実施の形態1の場合と同様に、出力側曲げ部214に続くフレア部215の単一モード部215aが存在する。このため、出力側曲げ部214の前後の接続部で励起された基本モードの成分は単一モードで導波するが、基本モード以外のモード成分は、出力側曲げ部214および単一モード部215aでは放射モードとなる。したがって、出力側曲げ部214および単一モード部215aは、フレア部215を基本モード以外のモード成分の光がそれ以上導波することや、さらには出力側直線部216から出力されることを防止する。
ここで、単一モードとは、導波路を伝搬可能な導波モードが特定の偏光について単一であることを意味する。理想的な単一モードでは高次の導波モードの伝搬解自体が存在しないが、本発明の効果を得るためには、高次の導波モードがあったとしても、基本モードとの強度比が十分に大きい疑似単一モードであっても足りる。疑似単一モードの場合、基本モードと高次モードとでの伝搬損失の差が20dB/mm程度以上あることが望ましい。これにより単一モード導波路部の長さが0.5mm前後の実用的な設計でも、高次モードに10dBの損失を与えることができる。
以上のようにして、光出射端面202で出力側直線部216から出力される出力光L3の単一モード性が高くなる。また、基本モード以外のモード成分の光の増幅に電力が消費されることが防止または抑制されるので、基本モードの増幅効率を高くできる。
また、実施の形態1と同様に、出力側曲げ部214の前後の接続部で発生した基本モード以外の成分の光は放射され、放射される場所は、光出射端面202とは異なる。したがって、光出射端面202で出力側直線部216から出力される基本モードの出力光をレンズ等で集光する場合、その基本モードの出力光の集光点には、放射された光は集光しない。したがって、放射された光と基本モードの出力光との分離が容易である。これによって、単峰型の良好なビームパターンを有する出力光を得ることができる。したがって、モジュール化のための組み立てが容易になるとともに、レンズや光ファイバへの結合効率を高くすることができる。
以上説明したように、本実施の形態2に係る集積型半導体レーザ素子200は、端面反射の低減、出力光強度の向上、および単一モード性が高い出力光を同時に実現することができる。
ここで、本実施の形態2に係る集積型半導体レーザ素子200の製造方法の一例を説明する。まず、基板220上に、MOCVD法などの公知の結晶成長方法を用いて、バッファ層を兼ねる下部クラッド層221、活性層222、上部クラッド層223、GaInAsPグレーティング層(図示しない)をこの順に積層する。
つぎに、プラズマCVDなどの方法を用いて、全面にSiNx膜を堆積した後、DFBレーザストライプ203のそれぞれを形成する位置に、互いに周期の異なる回折格子のパターンになるように、SiNx膜にパターンニングを施す。そして、パターンニングしたSiNx膜をマスクとしてエッチングを行い、GaInAsPグレーティング層に回折格子を形成するとともに、その他の領域のGaInAsPグレーティング層を全て取り除く。その後、SiNx膜のマスクを除去し、p−InP層を再び堆積する。
つぎに、全面にSiNx膜を堆積した後、フォトリソグラフィ技術を用いて、DFBレーザストライプ203より幅広のストライプのパターン、および半導体光増幅器210より幅広のストライプパターンになるように、SiNx膜のパターニングを行う。そして、パターニングしたSiNx膜をエッチングマスクとして用いてエッチングを行い、上部クラッド層223の一部より活性層222にいたるまでを除去する。つぎに、SiNx膜のマスクをそのまま選択成長マスクとして、MOCVD法等を用いて、上記除去した領域に、GaInAsPからなるコア層230および上部クラッド層223をバットジョイント成長する。
つぎに、SiNx膜のマスクを剥離し、MOCVD法等を用いて、上部クラッド層224およびコンタクト層225をこの順に積層する。
つぎに、全面にSiNx膜を堆積した後、フォトリソグラフィ技術を用いてSiNx膜のパターニングを行う。パターニングされたSiNx膜をエッチングマスクとして用いて、DFBレーザストライプ203、曲げ導波路204、MMI光合流器205、半導体光増幅器210の脇に相当する部分のエッチングを公知のエッチング方法を用いて行う。これによって、リッジ導波路構造が形成される。
続いて、全面に絶縁膜226となるSiNx膜を堆積した後、平坦化ポリマー227をスピンコートする。その後、フォトリソグラフィ技術を用いて平坦化ポリマー227をパターニングして、DFBレーザストライプ203、曲げ導波路204、MMI光合流器205、半導体光増幅器210の脇に相当する部分のみの平坦化ポリマー227を残す。
つぎに、平坦化ポリマー227を硬化させた後、p側電極を形成する部分のみ絶縁膜226を除去する。その後p側電極228を形成する。さらに、基板220を研磨により所定の厚さまで薄くし、裏面にn側電極229を蒸着する。
その後、エピタキシャル基板を劈開して光出射端面202を形成し、光出射端面202に低反射膜を形成する。さらに劈開端面と垂直な方向に並んだ素子を1つずつに分離する。これによって、集積型半導体レーザ素子200が完成する。
本実施の形態2に係る集積型半導体レーザ素子200は、DFBレーザストライプ203、曲げ導波路204、MMI光合流器205および半導体光増幅器210の各光導波路はリッジ導波路で構成されている。リッジ導波路の場合は、上述した製造方法の一例にも示したように、その製造プロセス中に、結晶方位に大きく依存する工程である埋め込み工程が存在しない。本実施の形態2のように、曲げ部の後段にフレア部を設けた構成とすると、フレア部も<110>方向に対して傾斜することとなるので、結晶方位に対して傾いた光導波路の長さが比較的長くなる。このように結晶方位に対して傾いた光導波路の長さが長い場合は、埋め込み工程を必要としないリッジ導波路を用いた、本実施の形態2の構成を採用すれば、製造が容易であり、かつ結晶方位に対して光導波路を形成する方向を自由度高く選べる等という点でさらに好適である。
(実施の形態3)
つぎに、本発明の実施の形態3について説明する。本実施の形態3に係る半導体光素子モジュールは、実施の形態2に係る集積型半導体レーザ素子を備えた半導体レーザモジュールである。
つぎに、本発明の実施の形態3について説明する。本実施の形態3に係る半導体光素子モジュールは、実施の形態2に係る集積型半導体レーザ素子を備えた半導体レーザモジュールである。
図7は、本実施の形態3に係る半導体レーザモジュールの模式的な平面断面図である。図7に示すように、この半導体レーザモジュール1000は、実施の形態2に係る集積型半導体レーザ素子200と、コリメートレンズ1010と、光アイソレータ1020と、ビームスプリッタ1030と、パワーモニタPD(Photo Detector)1040と、集光レンズ1050と、光ファイバ1060と、集積型半導体レーザ素子200、コリメートレンズ1010、光アイソレータ1020、ビームスプリッタ1030、パワーモニタPD1040及び集光レンズ1050を収容し、光ファイバ1060が挿入される筐体1070とを備えている。
集積型半導体レーザ素子200は、駆動するDFBレーザストライプに対応する波長のレーザ光L4を出力する。コリメートレンズ1010は、レーザ光L4を平行光線とする。光アイソレータ1020は、平行光線とされたレーザ光L4を紙面右方向に透過し、紙面左方向からコリメートレンズ1010側に光が入力されることを防止する。ビームスプリッタ1030は、反射面1031を有しており、光アイソレータ1020を透過したレーザ光L4の大部分を透過し、その一部のレーザ光L5を反射して分岐する。パワーモニタPD1040は、ビームスプリッタ1030が分岐したレーザ光L5を検出し、検出した光強度に応じた電流を出力する。パワーモニタPD1040から出力された電流は、不図示の制御装置に入力され、集積型半導体レーザ素子200の出力制御に用いられる。
集光レンズ1050は、ビームスプリッタ1030を透過したレーザ光L4を集光して光ファイバ1060に結合する。光ファイバ1060は結合されたレーザ光L4を伝搬する。伝搬されたレーザ光L4は信号光等として用いられる。
本実施の形態3に係る半導体レーザモジュール1000は、良好なビームパターンを有するレーザ光L4を出力する集積型半導体レーザ素子200を備えている。そのため、組み立てが容易であるとともに、光ファイバ1060への結合効率が高いためにエネルギー効率のよい半導体レーザモジュールである。
(その他の実施の形態)
以上、この発明の実施の形態について説明したが、上記の実施の形態の開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものではない。この開示から当業者に様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
以上、この発明の実施の形態について説明したが、上記の実施の形態の開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものではない。この開示から当業者に様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
たとえば、上記実施の形態1の構成において、フレア部115の単一モード部115aを曲げ導波路としても、本発明の効果を得ることができる。この場合、出力側曲げ部114を削除してもよい。
また、上記実施の形態2に係る集積型半導体レーザ素子200に対して、本発明の発明者による特許文献3に開示されている迷光導波メサをさらに備えていてもよい。迷光導波メサを備える場合、上述した放射光は迷光導波メサを伝搬する間に吸収されるため、さらに良好なビームパターンの光が得られる。
また、上記実施の形態では、1.55μm波長帯用にその化合物半導体や電極等の材料、サイズ等が設定されている。しかしながら、各材料やサイズ等は、入力される光の波長に応じて適宜設定されるものであり、特に限定はされない。
また、上記実施の形態では、光導波路は活性層を含んでいるが、活性層は光導波路の一部にのみ含まれるようにしてもよい。さらには、本発明は活性層を含む構成に限らず、フレア部と曲げ部とを有する光導波路を備える半導体光素子に広く適用できるものである。
また、上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。たとえば、実施の形態1に係る半導体光増幅素子をリッジ導波路で構成してもよい。また、たとえば、実施の形態1に係る半導体光増幅素子100の光入射端面101に高反射膜を形成し、これを半導体発光素子として使用してもよい。さらには、このような半導体発光素子を、実施の形態3における集積型半導体レーザ素子200に置き換え、さらに光ファイバ1060を外部共振器としての光ファイバグレーティングに置き換えれば、半導体レーザ素子モジュールを構成することができる。
また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
以上のように、本発明に係る半導体光素子、集積型半導体光素子および半導体光素子モジュールは、主に光通信の用途に利用して好適なものである。
100 半導体光増幅素子
101 光入射端面
102、202 光出射端面
110 光増幅導波路
111 入力側直線部
112 入力側曲げ部
113、213 主直線部
114、214 出力側曲げ部
115、215 フレア部
115a、215a 単一モード部
116、216 出力側直線部
120、220 基板
121、221 下部クラッド層
122、222 活性層
123、126、223、224 上部クラッド層
124 下部電流ブロック層
125 上部電流ブロック層
127、225 コンタクト層
128、228 p側電極
129、229 n側電極
200 集積型半導体レーザ素子
203 DFBレーザストライプ
204 曲げ導波路
205 MMI光合流器
210 半導体光増幅器
226 絶縁膜
227 平坦化ポリマー
230 コア層
1000 半導体レーザモジュール
1010 コリメートレンズ
1020 光アイソレータ
1030 ビームスプリッタ
1031 反射面
1040 パワーモニタPD
1050 集光レンズ
1060 光ファイバ
1070 筐体
L1 光
L2 増幅光
L3 出力光
L4、L5 レーザ光
101 光入射端面
102、202 光出射端面
110 光増幅導波路
111 入力側直線部
112 入力側曲げ部
113、213 主直線部
114、214 出力側曲げ部
115、215 フレア部
115a、215a 単一モード部
116、216 出力側直線部
120、220 基板
121、221 下部クラッド層
122、222 活性層
123、126、223、224 上部クラッド層
124 下部電流ブロック層
125 上部電流ブロック層
127、225 コンタクト層
128、228 p側電極
129、229 n側電極
200 集積型半導体レーザ素子
203 DFBレーザストライプ
204 曲げ導波路
205 MMI光合流器
210 半導体光増幅器
226 絶縁膜
227 平坦化ポリマー
230 コア層
1000 半導体レーザモジュール
1010 コリメートレンズ
1020 光アイソレータ
1030 ビームスプリッタ
1031 反射面
1040 パワーモニタPD
1050 集光レンズ
1060 光ファイバ
1070 筐体
L1 光
L2 増幅光
L3 出力光
L4、L5 レーザ光
Claims (11)
- 半導体基板上に形成された光導波路を備える半導体光素子であって、前記光導波路は、
入力された光を単一モードで導波する単一モード導波部と、
前記光の導波方向に対して前記単一モード導波部の後段側に配置された曲げ部と、
前記導波方向に対して前記曲げ部の後段側に配置され、前記導波方向に向かって導波路幅が広くなるように形成されており、前記光の入射側では前記光を単一モードで導波し、前記光の出射側では前記光を多モードで導波し得る導波路幅を有するフレア部と、
を備えることを特徴とする半導体光素子。 - 前記曲げ部は、前記光を単一モードで導波することを特徴とする請求項1に記載の半導体光素子。
- 前記光導波路は活性層を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体光素子。
- 前記光導波路は、前記半導体基板の主表面である(001)面上に形成されており、前記単一モード導波部は、前記半導体基板の<110>方向に沿って延伸しており、前記フレア部は、前記半導体基板の<110>方向から傾斜するように形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の半導体光素子。
- 前記光導波路の光の出射側は前記半導体基板の劈開端面であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の半導体光素子。
- 前記光導波路はリッジ導波路で構成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の半導体光素子。
- 半導体光増幅素子であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載の半導体光素子。
- 半導体発光素子であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載の半導体光素子。
- 請求項1〜8のいずれか一つに記載の半導体光素子を備えることを特徴とする集積型半導体光素子。
- 半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項9に記載の集積型半導体光素子。
- 請求項1〜8のいずれか一つに記載の半導体光素子または請求項9もしくは10に記載の集積型半導体光素子を備えることを特徴とする半導体光素子モジュール。
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