TWI740538B - 半導體光學元件 - Google Patents

半導體光學元件 Download PDF

Info

Publication number
TWI740538B
TWI740538B TW109119864A TW109119864A TWI740538B TW I740538 B TWI740538 B TW I740538B TW 109119864 A TW109119864 A TW 109119864A TW 109119864 A TW109119864 A TW 109119864A TW I740538 B TWI740538 B TW I740538B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
spot size
active layer
width
size conversion
light
Prior art date
Application number
TW109119864A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202101846A (zh
Inventor
淵田歩
Original Assignee
日商三菱電機股份有限公司
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 日商三菱電機股份有限公司 filed Critical 日商三菱電機股份有限公司
Publication of TW202101846A publication Critical patent/TW202101846A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI740538B publication Critical patent/TWI740538B/zh

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
    • H01S5/10—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
    • H01S5/1053—Comprising an active region having a varying composition or cross-section in a specific direction
    • H01S5/1064—Comprising an active region having a varying composition or cross-section in a specific direction varying width along the optical axis
    • 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
    • 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
    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/18—Semiconductor lasers with special structural design for influencing the near- or far-field
    • H01S2301/185—Semiconductor lasers with special structural design for influencing the near- or far-field for reduction of Astigmatism
    • 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
    • H01S5/1039—Details on the cavity length
    • 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
    • H01S5/1053—Comprising an active region having a varying composition or cross-section in a specific direction
    • H01S5/1057—Comprising an active region having a varying composition or cross-section in a specific direction varying composition along the optical axis
    • 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
    • H01S5/1053—Comprising an active region having a varying composition or cross-section in a specific direction
    • H01S5/106—Comprising an active region having a varying composition or cross-section in a specific direction varying thickness along the optical axis
    • 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
    • H01S5/2205—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 comprising special burying or current confinement layers
    • H01S5/2222—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 comprising special burying or current confinement layers having special electric properties
    • H01S5/2224—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 comprising special burying or current confinement layers having special electric properties semi-insulating semiconductors
    • 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
    • H01S5/2275—Buried mesa structure ; Striped active layer mesa created by etching

Landscapes

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

Abstract

具備埋入活性層的高台（mesa）構造（7）的半導體光學元件由直進部（A）和光斑尺寸轉換部（B）所構成。直進部（A）的活性層（3）寬度均一。光斑尺寸轉換部（B）較直進部（A）更靠近光的發射端，且在光斑尺寸轉換部（B）中對於活性層（3）的光的限制較在直進部（A）中更弱，並且在光的發射端的光的光斑尺寸比在直進部的光的光斑尺寸更大。在與活性層（3）的層面平行的同一平面上，直進部（A）的高台構造（7）的寬度的平均值為較光斑尺寸轉換部（B）的發射端的高台構造（7）的寬度更小的值。在高台構造（7）的頂部形成電極，藉此在直進部（A）及光斑尺寸轉換部（B）的整個長度對活性層（3）注入電流。

Description

半導體光學元件
本發明是有關於半導體光學元件。
在半導體層內埋入活性層的埋入型半導體雷射中，已知藉由設置活性層寬度向發射端逐漸變窄的錐形導波路以在雷射的直進部集成光斑尺寸轉換部的構造（例如，專利文獻1）。
在活性層內，分別從半導體層的上下的電極注入的電子和電洞會再結合，並且可以發光及得到增益。在活性層中產生的光傳遞於雷射的直進部及光斑尺寸轉換部，並且在得到增益的同時增幅。增幅後的光傳遞於半導體雷射前後的劈開端面鏡所構成的共振器內，且在端面鏡重複反射。傳遞損失及鏡損失的和與傳遞於活性層時得到的增益變得相等時，雷射產生振盪，並且雷射從發射端面發射。此時，在光斑尺寸轉換部中，由於活性層寬度向發射端面逐漸變窄，對於活性層的光的限制逐漸變弱，光往埋入活性層的半導體層的透出增加，在發射端面的光斑尺寸可以擴大。如果在發射端面附近的近場圖案（NFP，Near Field Pattern）的光斑尺寸較大，為了減少發射光的繞射，與未集成光斑尺寸轉換器的情況相比可以使在遠場圖案（FFP，Far Field Pattern）的光束寬度較狹窄。光束寬度如此窄的光較容易對準光纖芯，且對於光纖而言具有抑制光的漸暈、得到高耦合效率的優點。
在專利文獻2中提出了在包含活性層和光導波路的對接構造的埋入型半導體雷射中，使埋入導波路部分的高台（mesa）構造的寬度比埋入活性層的高台構造的寬度更窄的構造。利用此構造，因為可以抑制於對接構造所產生的散射光在埋入導波路的高台構造內傳遞，可以改善模式干擾。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1] 日本專利特開2000-36638號公報 [專利文獻2] 日本專利特開2013-115161號公報
[發明所要解決的課題]
過去的集成光斑尺寸轉換器的埋入型半導體雷射如上述所構成，為了在發射端充分擴大光斑尺寸，埋入活性層的高台構造的寬度較寬。但是，如果擴大埋入活性層的高台構造的寬度，由於為了將電流注入活性層而設置於高台上的電極面積增加，半導體雷射的寄生電容會增加。寄生電容大的裝置無法追蹤高速電氣信號，發射光的光輸出信號波形將會失真。因此，使用和雷射相同的活性層以形成光斑尺寸轉換器並將其集成於雷射的手法，儘管廣泛使用不需要光強度調變的高輸出雷射，或是1.5Gbps以下的相對低速下調變的雷射，其具有不適用於高速調變的用途之問題點。
此外，於高速調變用的雷射（例如電解吸收型調變器積體雷射）中集成光斑尺寸轉換器的情況下也經常使用和構成雷射部的活性層不同的半導體導波路以形成光斑尺寸轉換部。在此情況下，由於不需要往光斑尺寸轉換部注入電流，沒有在高台上設置電極的必要。因此，由於可以不考慮寄生電容而使高台的寬度變寬，高速調變和狹窄的發射光束寬度可以共存。但是，缺點為用於光斑尺寸轉換部的結晶成長次數增加，且由於雷射部和光斑尺寸轉換部的接合部分的形狀或折射率的不匹配，產生導波模式的干擾，並且發射光束的形狀也受到干擾。
本發明揭露了用於解決上述問題的技術，其目的為提供寄生電容小且可以高速調變的具備光斑尺寸轉換部的半導體光學元件。 [用以解決課題的手段]
關於本發明的半導體光學元件包括埋入活性層的高台構造。上述半導體光學元件由直進部和光斑尺寸轉換部所構成。直進部的活性層寬度均一。光斑尺寸轉換部較直進部更靠近光的發射端，且在光斑尺寸轉換部中對於活性層的光的限制較在直進部中更弱，並且在光的發射端的光的光斑尺寸比在直進部的光的光斑尺寸更大。在與活性層的層面平行的同一平面上，直進部的高台構造的寬度的平均值為較光斑尺寸轉換部的發射端的高台構造的寬度更小的值。 [發明的效果]
根據本發明中所揭露的半導體光學元件，可以得到寄生電容小且可以高速調變的具備光斑尺寸轉換器的半導體光學元件。
實施形態1 第1圖所示為在實施形態1中的半導體光學元件之半導體雷射的構成，且在包含活性層的面的示意性的xz剖面圖。此外，第2圖為yz剖面圖。在此以對半導體雷射的共振器的光軸垂直相交的水平方向為x，以半導體層的積層方向為y，且以光的傳遞方向為z。半導體雷射由後端面側的直進部A和光的發射側的前端面側的光斑尺寸轉換部B所構成。結合了直進部A和光斑尺寸轉換部B的半導體雷射的全長通常介於150μm至約400μm的範圍，但並不限定於此範圍。第3A圖所示為直進部A的xy剖面，即垂直於光軸的示意性的剖面圖，第3B圖所示為光斑尺寸轉換部B的xy剖面，即垂直於光軸的示意性的剖面圖。
例如，可以如下所述以製造實施形態1的半導體光學元件。首先在以（001）面為主面摻雜Si，且載子濃度4x1018 /cm3 的n型InP基板1上方利用如MOCVD或MBE的半導體膜成長裝置成長載子濃度4x1018 /cm3 ，且厚度0.5μm的n型InP包層2、以及厚度0.2μm的由AlGaInAs系或InGaAsP系半導體材料所構成的活性層3。在此雖然以n型InP基板為例，但也可以使用p型InP基板或Fe摻雜InP基板。此外，不限於InP系，也可以使用GaAs系、GaN系等半導體材料。活性層也可以包含多重量子井構造。
接著，使用SiO2 等絕緣膜形成在z方向延伸的條紋狀遮罩後，進行蝕刻直到抵達n型InP基板1或n型InP包層2的深度為止，形成包含活性層3的脊部構造30。此時，包含直進部A的活性層3的脊部構造30的寬度，即活性層寬度wr1 以及光斑尺寸轉換部B的活性層寬度wr2 間存在wr1 >wr2 的關係。直進部A的活性層寬度wr1 為均一的，雖然通常約為0.8μm~1.6μm，若滿足單模（single mode）條件，則不限定於此範圍。光斑尺寸轉換部B的光的發射端的活性層寬度wr2 若滿足wr1 >wr2 ，也可以包含向發射端逐漸寬度變窄的錐形構造。
接著在脊部的外側依序埋入摻雜Zn且載子濃度5x1017 /cm3 的p型InP埋入層4、以及載子濃度1x1019 /cm3 的n型InP阻隔層5。埋入層也可以使用摻雜Ru或Fe的InP等半絕緣性材料，此外也可以使用載子濃度或極性相異的層之複數半導體積層膜的組合。
接著在n型InP阻隔層5及脊部構造30的活性層3的上方形成載子濃度1x1019 /cm3 的p型包層6後，進行蝕刻直到抵達n型InP基板1或n型InP包層2的深度為止，形成內部埋入活性層3的高台構造7。此時，直進部A的高台構造的寬度，即高台寬度W1 以及光斑尺寸轉換部B的高台寬度W2 間存在W1 >W2 的關係。W1 、W2 如第1圖所示，可以分別在直進部A內和在光斑尺寸轉換部B內寬度均一，此外，也可以如第4圖所示在光斑尺寸轉換部B中，或者如第5圖所示在直進部A中，包含向發射端高台寬度逐漸變寬的錐形構造。作為高台寬度，只要在直進部A的高台寬度的平均值小於在光斑尺寸轉換部B的發射端的高台寬度的值即可。另外，雖然高台寬度隨著y方向的位置而不同，但在同一xz面，例如平行於活性層3的層面的同一平面的高台寬度滿足上述關係。
此外，n型InP基板1的背面設置了n電極8，p型包層6的表面設置了p電極9。如第2、3A、及3B圖所示，p電極9在直進部A及光斑尺寸轉換部B的整個長度延伸，在高台構造7的頂部以高台寬度形成。因此，本發明的半導體雷射將電流注入不只是直進部A，而是延伸於直進部A以及光斑尺寸轉換部B的整個長度的活性層3，光斑尺寸轉換部B也能得到增益，有助於雷射輸出的高輸出化。若不將電流注入光斑尺寸轉換部B的活性層3，雖然損失了在活性層3的光，在本構成的情況下反而可以獲得增益。n電極8及p電極9為包含Au、Pt、Zn、Ge、Ni、Ti等的金屬單體，或是由這些金屬的組合所構成。一般來說，由於半導體雷射的n電極8和p電極9之間成為夾入半導體積層膜的電容器構造，其存在寄生電容。
實施形態1的半導體光學元件如下所述以運作。首先，若將電流注入p電極9和n電極8之間，從p型包層6供給的電洞通過n型InP阻隔層5而變得狹窄，且效率良好地注入活性層3。同樣地，電子從n型InP基板1及n型InP包層2供給，注入活性層3。若在活性層3內注入的電子和電洞再結合，可以發光及得到增益。一般由於活性層3的折射率比周圍的埋入層及阻隔層更高，再結合所產生的發光會被限制於活性層3內。直進部A的後端面鏡及光斑尺寸轉換部B的光的發射側之前端面鏡為由法布里培洛（Fabry-Pérot）共振器所構成，在活性層3所產生的發光得到增益的同時在共振器內傳遞且共振。即，直進部A及光斑尺寸轉換部B共同包含在共振器內，如上所述，在光斑尺寸轉換部B的活性層3也進行電流注入以獲得增益。光的傳遞損失和鏡損失的和與光增益變得相等時雷射振盪，並從端面發射雷射光。此時，由於在直進部A的脊部寬度wr1 較寬，光被強烈地限制於活性層3。另一方面，由於在光斑尺寸轉換部B的脊部寬度wr2 較窄使得對於光的限制較弱，透出至活性層3的外側的光變多，光斑尺寸變大。如上所述，在光斑尺寸轉換部B中，光的發射端的光的光斑尺寸變得比直進部A的光的光斑尺寸更大，藉此變換光斑尺寸。若在發射端的NFP的光斑尺寸較大則光的繞射變小，因此發射光的FFP光束寬度變窄。
高台寬度和發射光束的x方向及y方向的FFP寬度的關係藉由光束傳遞法（BPM）進行模擬的結果如第6、7圖所示。第6、7圖所示為關於光斑尺寸轉換部的高台寬度W2 固定為18μm的實施形態1的半導體雷射，以及使W2 和直進部的高台寬度W1 相同的比較例的半導體雷射，改變直進部的高台寬度W1 而模擬的結果。此時，振盪波長為1270nm，活性層3的折射率為3.355，InP層的折射率為3.207，脊部寬度假定為wr1 =1.5μm、wr2 =0.6μm。在實施形態1的半導體雷射中，用於模擬的作為直進部A的長度為10μm，光斑尺寸轉換部B的長度為90μm，並且其構成包含和直進部A相接的光斑尺寸轉換部B的脊部構造30為長度25μm的錐形構造。
對於在第6圖所示的x方向，即水平方向的FFP半高寬FFPx、以及在第7圖所示的y方向，即垂直方向的FFP半高寬FFPy，相對於實施形態1的FFP半高寬與高台寬度W1 無關皆為恆定的，在比較例中若高台寬度W1 較14μm狹窄，FFP寬度便開始變化。特別是在W1 ≤6μm的範圍中高台寬度W1 越窄水平方向的FFP半高寬FFPx就越寬，使光斑尺寸轉換部B無法運作。
為了解釋此原因，第8圖所示為在實施形態1的相對光強度分布的xz平面圖，第9圖所示為在比較例的相對光強度分布的xz平面圖。在第8圖的實施形態1中，W1 =6μm，W2 =18μm，在第9圖的比較例中W1 =W2 =6μm。此外，第8圖及第9圖中的高台構造7的邊界77以白線表示。關於第9圖的比較例，在光斑尺寸轉換部B中，光在水平方向上越往發射端越擴展的另一方面，由於高台寬度W2 較窄，所以光無法在發射端附近充分擴展。因此，第9圖的比較例中的高台寬度W1 如果較6μm更窄，水平方向FFP半高寬無法變窄。此外，在第9圖的比較例的z=50μm附近，擴展的光分布的裙部跨越高台和空氣的界面，會產生模式的干擾。
如第6圖所示，在W1 =6~14μm時，比較例的水平方向FFP寬度FFPx較實施形態1狹窄即為此模式干擾的原因。上述模式的干擾是不利的，其原因為例如晶圓面內產生的高台寬度W2 的變化造成發射光束寬度的變化變大，或是發射光束形狀受到干擾，使得和光纖的結合效率降低。在第8圖所示的實施形態1的相對光強度分布中，由於光斑尺寸轉換部B的高台寬度W2 充分寬廣，無論直進部A的高台寬度W1 如何，發射端的光斑尺寸可以擴大，其結果為可以得到狹窄的FFP半高寬。此外，即使光斑尺寸轉換部B的高台寬度W2 有變化，只要擴大的光分布的裙部沒有跨越高台和空氣的界面，就可以防止發射光束寬度的變化以及如第9圖所示的模式干擾。
接著，考慮寄生電容。半導體雷射為高台構造7上的p電極9和n型InP基板1背面的n電極8夾住半導體層的電容器構造。電容器的電容量C一般以（1）式表示。在此ε為半導體層的介電常數，S為電極的面積，d為電極間的距離。 C=εS/d　　（1）
在高台寬度均一的先前之構造的半導體雷射中，為了使發射光束的FFP半高寬狹窄，需要使半導體雷射整個長度的高台寬度變寬。其結果為高台上的電極面積S擴大，且雷射的元件電容C，即寄生電容增加。在實施形態1中為了獲得狹窄的FFP半高寬而保持所需要的光斑尺寸轉換部的高台寬度W2 為寬的同時，也使對於FFP半高寬的控制無關的直進部A的高台寬度W1 是狹窄的。其結果為，在實施形態1中因為使高台上的電極面積S較先前之構造狹窄，所以可以降低寄生電容。
從如上所述的效果，在實施形態1中可以得到同時實現狹窄寬度的FFP和降低寄生電容的半導體雷射。上述雷射能夠得到容易對準光纖，且可以使用高速信號進行調變之優點。
實施形態2 第10圖所示為作為實施形態2的半導體光學元件的半導體雷射的示意性的yz剖面，即平行於光軸的側面剖面示意圖，第11圖所示為直進部A的xy剖面示意圖，第12圖所示為光斑尺寸轉換部B的xy剖面示意圖。在實施形態2中，直進部A的活性層3的厚度d1 和光斑尺寸轉換部B的活性層3的厚度d2 為不同的厚度，即d1 >d2 。如第10圖所示，光斑尺寸轉換部B的活性層厚度d2 也可以包含越往發射端膜厚越薄的錐形構造。活性層3的寬度也可以在直進部A和在光斑尺寸轉換部B相同。其他的高台寬度及層構成為和實施形態1相同的構造。
如上所述，在光軸方向上活性層3的膜厚不同的構造，例如可以如下所述以製造。在n型InP基板1上成長n型InP包層後，如第13圖的平面圖所示，使用SiO2 等絕緣膜形成在光斑尺寸轉換部B中的寬度比在直進部A的寬度a更窄的一對遮罩，再選擇性成長活性層3。藉此，在遮罩寬度大的地方，成長於被夾在一對遮罩間的區域的活性層因為在一對遮罩間材料氣體累積較多而膜厚變厚，相反地在遮罩寬度狹窄的地方膜厚變薄。
實施形態2的半導體光學元件如下所述以運作。在直進部A中光被強烈地限制在活性層3附近，在光斑尺寸轉換部B中因為活性層3的膜厚比在直進部A中更薄，對於光的限制比在直進部A中更弱，且光斑尺寸變大。和實施形態1相同，光斑尺寸轉換部B的高台寬度W2 維持較寬，而使直進部的高台寬度W1 狹窄以滿足W1 >W2 的關係，藉此可以在降低寄生電容的同時擴大在發射端的光斑尺寸，其結果為可以得到FFP的寬度狹窄之發射光束。
實施形態3 第14至16圖所示為作為實施形態3的半導體光學元件的半導體雷射的構成。第14圖為包含活性層的面的示意性的xz剖面圖，第15圖為直進部A的示意性的xy剖面圖，第16圖為光斑尺寸轉換部B的示意性的xy剖面圖。在實施形態3中直進部A的活性層3a的折射率n1 和光斑尺寸轉換部B的活性層3b的折射率n2 間存在n1 >n2 的關係。其他的高台寬度及層構成為和實施形態1相同的構造。光斑尺寸轉換部B的折射率n2 也可以是向發射端面逐漸降低折射率的漸變（graded）構造。
實施形態3的半導體光學元件如下所述以運作。因為在直進部A中活性層3a的折射率n1 較高，以活性層3a為中心，光被強烈地限制。另一方面，在光斑尺寸轉換部B中活性層3b的折射率n2 比n1 更低，由於和埋入層的折射率差比在直進部A中更小，對於光的限制較弱。因此，光也從活性層3b的外側透出，使光斑尺寸變大。因此，為了使發射光束寬度變狹窄，必須使光斑尺寸轉換部B的高台寬度W2 維持寬廣，使得光斑尺寸在發射端擴大。另一方面，因為直進部A與發射光束的FFP半高寬的控制無關，藉由使高台寬度W1 變狹窄而使得W1 >W2 的關係成立，可以降低寄生電容。此結果和實施形態1相同，因為和先前構造相比可以縮小高台上的電極面積S，在降低寄生電容的同時，也可以使發射光束寬度變狹窄。
實施形態4 第17圖為以包含活性層3之xz面的剖面所表示的作為實施形態4的半導體光學元件的半導體雷射的構成的剖面示意圖。在實施形態4中的光斑尺寸轉換部B內，靠近直進部A的區域的高台寬度W3 比發射端附近的高台寬度W2 更狹窄。此外，高台寬度W2 從直進部A和光斑尺寸轉換部B的邊界往發射端側離Z1 的地方變寬，滿足W1 ≦W3 >W2 的關係。光斑尺寸轉換部B的高台寬度W2 如第17圖所示，可以往發射端呈階梯狀變寬，也可以如第18圖所示，包含往發射端逐漸變寬的錐形構造。
實施形態4的半導體光學元件如下所述以運作。在光斑尺寸轉換部B中與直進部A的邊界附近，和發射端相比尚未充分擴大光斑尺寸。因此，只要光強度分布的裙部位於沒有跨越高台的外側的範圍，就可以使與直進部A的邊界附近的高台寬度W3 變窄。例如，以W1 =W3 =6μm，W2 =18μm，Z1 =20μm，利用BPM進行模擬。此時在xz平面的光強度分布圖如第19圖所示。和實施形態1（W1 =6μm，W2 =18μm）的第8圖相比光強度分布幾乎看不出差別。此外，第20A圖所示為此時和實施形態1的形狀配合的發射光束的水平方向FFP光束形狀FFPx，第20B圖所示為此時和實施形態1的形狀配合的發射光束的垂直方向FFP光束形狀FFPy。兩者皆和實施形態1幾乎沒有差別，可以得到FFP寬度狹窄的發射光束。
以上直進部A和光斑尺寸轉換部B的高台構造的寬度的關係之特徵為無論在哪個實施形態中，在平行於活性層3的層面的同一平面，直進部A的高台構造7的寬度的平均值為比光斑尺寸轉換部B的光的發射端的高台構造7的寬度的值更小的值。由於此特徵，可以減少寄生電容，並能夠提供可以高速調變、且具備光斑尺寸轉換器的半導體光學元件。
儘管本發明記載了各種例示性的實施形態及實施例，但是在一個或複數個實施形態中記載的各種特徵、態樣及功能並非限定應用於特定的實施形態，可能單獨地或以各種組合應用於實施形態。因此，在本發明說明書中揭露的技術範圍內可以預見未例示的無數變形例。例如，包含至少一個構件變形的情況，增加的情況或省略的情況，以及至少一個構件被抽出並和其他實施形態的構件組合的情況。
1:n型InP基板 2:n型InP包層 3,3a,3b:活性層 4:埋入層 5:阻隔層 6:p型包層 7:高台構造 8:n電極 9:p電極 30:脊部構造 77:邊界 A:直進部 a,W1,W2,wr1,wr2:寬度 B:光斑尺寸轉換部 d1,d2:厚度 FFPx:水平方向的FFP半高寬 FFPy:垂直方向的FFP半高寬 n1,n2:折射率 x,y,z:座標 Z1:距離
第1圖所示為實施形態1的半導體光學元件的構成，且包含活性層的面的剖面示意圖。 第2圖所示為實施形態1的半導體光學元件的構成，且平行於光軸、與活性層的面垂直的剖面示意圖。 第3A圖所示為實施形態1的半導體光學元件的直進部的構成，且垂直於光軸的剖面示意圖。 第3B圖所示為實施形態1的半導體光學元件的光斑尺寸轉換部的構成，且垂直於光軸的剖面示意圖。 第4圖所示為實施形態1的半導體光學元件的另一種構成，且包含活性層的面的剖面示意圖。 第5圖所示為實施形態1的半導體光學元件的又另一種構成，且包含活性層的面的剖面示意圖。 第6圖所示為比較實施形態1的半導體光學元件和比較例的半導體光學元件的x方向的FFP之特性的圖。 第7圖所示為比較實施形態1的半導體光學元件和比較例的半導體光學元件的y方向的FFP之特性的圖。 第8圖所示為實施形態1的半導體光學元件的內部光強度分布的一個範例的圖。 第9圖所示為比較例的半導體光學元件的內部光強度分布的一個範例的圖。 第10圖所示為實施形態2的半導體光學元件的構成，且平行於光軸的側面剖面示意圖。 第11圖所示為實施形態2的半導體光學元件的直進部的構成，且垂直於光軸的剖面示意圖。 第12圖所示為實施形態2的半導體光學元件的光斑尺寸轉換部的構成，且垂直於光軸的剖面示意圖。 第13圖所示為實施形態2的半導體光學元件的製造過程的一部分的俯視圖。 第14圖所示為實施形態3的半導體光學元件的構成，且包含活性層的面的剖面示意圖。 第15圖所示為實施形態3的半導體光學元件的直進部的構成，且垂直於光軸的剖面示意圖。 第16圖所示為實施形態3的半導體光學元件的光斑尺寸轉換部的構成，且垂直於光軸的剖面示意圖。 第17圖所示為實施形態4的半導體光學元件的構成，且包含活性層的面的剖面示意圖。 第18圖所示為實施形態4的半導體光學元件的另一種構成，且包含活性層的面的剖面示意圖。 第19圖所示為實施形態4的半導體光學元件的內部光強度分布的一個範例的圖。 第20圖的第20A圖及第20B圖所示為比較實施形態4的半導體光學元件的一個範例和實施形態1的半導體光學元件的FFP的圖。
3:活性層
7:高台構造
A:直進部
B:光斑尺寸轉換部
W1,W2:寬度
x,z:座標

Claims (7)

  1. 一種半導體光學元件，其特徵為包括：埋入活性層的高台構造；其中上述半導體光學元件由直進部和光斑尺寸轉換部所構成，上述直進部的上述活性層寬度均一，而上述光斑尺寸轉換部較上述直進部更靠近光的發射端，且對於上述活性層的光的限制較在上述直進部中更弱，並且在光的發射端的光的光斑尺寸比在上述直進部的光的光斑尺寸更大；在與上述活性層的層面平行的同一平面上，上述直進部的上述高台構造的寬度的平均值為較上述光斑尺寸轉換部的上述發射端的上述高台構造的寬度更小的值，且在上述高台構造的頂部形成電極，藉此在上述直進部及上述光斑尺寸轉換部的整個長度進行對上述活性層注入電流；在上述直進部以及上述光斑尺寸轉換部，上述高台構造的寬度大於上述活性層的寬度。
  2. 如請求項1之半導體光學元件，其中在上述光斑尺寸轉換部的發射端的上述活性層的寬度比在上述直進部的上述活性層的寬度更狹窄。
  3. 如請求項1之半導體光學元件，其中在上述直進部的上述活性層的厚度均一，在上述光斑尺寸轉換部的發射端的上述活性層的厚度比在上述直進部的上述活性層的厚度更薄。
  4. 如請求項1之半導體光學元件，其中在上述直進部的上述活性層的折射率均一，在上述光斑尺寸轉換部的發射端的上述活性層的折射率比在上述直進部的上述活性層的折射率更低。
  5. 如請求項1至4中任一項之半導體光學元件，其中在上述光斑 尺寸轉換部中，上述高台構造的寬度往上述發射端呈階梯狀變寬。
  6. 如請求項1至4中任一項之半導體光學元件，其中在上述光斑尺寸轉換部中，上述高台構造的寬度包含往上述發射端逐漸變寬的部分。
  7. 如請求項1至4中任一項之半導體光學元件，其中在上述直進部中，上述高台構造的寬度包含往上述光斑尺寸轉換部逐漸變寬的部分。
TW109119864A 2019-06-19 2020-06-12 半導體光學元件 TWI740538B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
WOPCT/JP2019/024206 2019-06-19
PCT/JP2019/024206 WO2020255281A1 (ja) 2019-06-19 2019-06-19 半導体光素子

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202101846A TW202101846A (zh) 2021-01-01
TWI740538B true TWI740538B (zh) 2021-09-21

Family

ID=74036989

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW109119864A TWI740538B (zh) 2019-06-19 2020-06-12 半導體光學元件

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20220173573A1 (zh)
JP (1) JP6925540B2 (zh)
CN (1) CN114008879A (zh)
TW (1) TWI740538B (zh)
WO (2) WO2020255281A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4311042A1 (en) * 2022-07-21 2024-01-24 Nokia Solutions and Networks Oy Opto-electronic device

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010012306A1 (en) * 2000-01-24 2001-08-09 Nec Corporation Semiconductor laser, optical module using semiconductor laser and optical communication system
US20130136391A1 (en) * 2011-11-28 2013-05-30 Mitsubishi Electric Corporation Optical semiconductor device
US20170047710A1 (en) * 2015-08-11 2017-02-16 Electronics And Telecommunications Research Institute Luminescent diode, method for manufacturing the luminescent diode and wavelength tunable external cavity laser using the luminescent diode

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0667043A (ja) * 1992-08-24 1994-03-11 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> スポット変換素子およびその製造方法
JP3548986B2 (ja) * 1994-02-15 2004-08-04 富士通株式会社 光半導体装置及びその製造方法
JPH0923036A (ja) * 1995-07-05 1997-01-21 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体レーザ
JPH09102651A (ja) * 1995-10-09 1997-04-15 Hitachi Ltd 導波路型半導体光素子および光モジュール
JP3401714B2 (ja) * 1995-10-30 2003-04-28 富士通株式会社 光半導体装置
JP3710559B2 (ja) * 1996-07-01 2005-10-26 富士通株式会社 発光半導体装置
JP2924811B2 (ja) * 1996-09-20 1999-07-26 日本電気株式会社 半導体光集積素子とその製造方法
JPH11112081A (ja) * 1997-10-01 1999-04-23 Mitsubishi Electric Corp 半導体レーザ，及びその製造方法
JPH10270791A (ja) * 1997-03-27 1998-10-09 Hitachi Ltd 光情報処理装置およびこれに適した半導体発光装置
JP2950302B2 (ja) * 1997-11-25 1999-09-20 日本電気株式会社 半導体レーザ
JP2000036638A (ja) * 1998-07-21 2000-02-02 Fujitsu Ltd 半導体発光装置
JP2000244059A (ja) * 1999-02-23 2000-09-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体レーザ装置
JP2000353859A (ja) * 1999-06-10 2000-12-19 Sharp Corp 光導波路及び半導体レーザ素子
EP1306944B1 (en) * 2000-06-08 2007-07-04 Nichia Corporation Semiconductor laser device, and method of manufacturing the same
JP2002026449A (ja) * 2000-07-06 2002-01-25 Oki Electric Ind Co Ltd スポットサイズ変換器付き半導体レーザ装置，及び半導体レーザアレイ装置
JP3838355B2 (ja) * 2001-05-17 2006-10-25 松下電器産業株式会社 半導体レーザ
KR100754597B1 (ko) * 2006-01-03 2007-09-05 삼성전자주식회사 광모드 크기 변환기 집적 레이저장치 및 그 제조방법
KR100958338B1 (ko) * 2007-12-18 2010-05-17 한국전자통신연구원 광 증폭기가 집적된 슈퍼루미네슨트 다이오드 및 이를이용한 외부 공진 레이저
KR101208030B1 (ko) * 2009-03-23 2012-12-04 한국전자통신연구원 외부 공진 레이저 광원
US9397254B2 (en) * 2013-10-24 2016-07-19 Electronics And Telecommunications Research Institute Superluminescent diode and method for implementing the same
CN105826815B (zh) * 2016-05-30 2019-04-30 中国科学院半导体研究所 980nm半导体激光器结构及制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010012306A1 (en) * 2000-01-24 2001-08-09 Nec Corporation Semiconductor laser, optical module using semiconductor laser and optical communication system
US20130136391A1 (en) * 2011-11-28 2013-05-30 Mitsubishi Electric Corporation Optical semiconductor device
US20170047710A1 (en) * 2015-08-11 2017-02-16 Electronics And Telecommunications Research Institute Luminescent diode, method for manufacturing the luminescent diode and wavelength tunable external cavity laser using the luminescent diode

Also Published As

Publication number Publication date
TW202101846A (zh) 2021-01-01
WO2020255565A1 (ja) 2020-12-24
JP6925540B2 (ja) 2021-08-25
JPWO2020255565A1 (ja) 2021-09-13
US20220173573A1 (en) 2022-06-02
CN114008879A (zh) 2022-02-01
WO2020255281A1 (ja) 2020-12-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7005680B2 (en) Semiconductor light-emitting device including a divided electrode having a plurality of spaced apart conductive members
JP2001210910A (ja) 半導体レーザ
JPH05243669A (ja) 半導体レーザ素子
KR19980019159A (ko) 반도체 레이저
JP2007311522A (ja) 半導体レーザ
JPH08213703A (ja) レーザダイオード、その製造方法、およびかかるレーザダイオードを使った光通信システム
JP2018182306A (ja) 光半導体素子、及び光半導体素子の駆動方法
TWI740538B (zh) 半導體光學元件
JP2004342719A (ja) 半導体レーザ装置及びその製造方法
US7756180B2 (en) Semiconductor laser
US7092422B2 (en) Self-pulsation type semiconductor laser
JP4441220B2 (ja) 半導体発光装置
JP2882335B2 (ja) 光半導体装置およびその製造方法
US6717969B2 (en) Semiconductor laser device which includes current confinement structure and trenches formed through current stopping layer down to active layer
US10243330B2 (en) Optoelectronic device with resonant suppression of high order optical modes and method of making same
JP4164248B2 (ja) 半導体素子及びその製造方法、及び半導体光装置
US20200403115A1 (en) Optical device and display apparatus
JP3173443B2 (ja) 半導体レーザ装置及びその製造方法
JPH08236853A (ja) 半導体レーザ
JPH08316566A (ja) 半導体レーザ素子
JP3549514B2 (ja) 半導体発光装置の駆動方法
JPS63211786A (ja) 半導体レ−ザ素子
JP2006080427A (ja) 半導体発光素子
KR100359940B1 (ko) 반도체 레이저 다이오드
JP2001077466A (ja) 半導体レーザ