WO2021124440A1 - 光デバイス - Google Patents
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Abstract
光デバイスは、第1半導体層(104)および第2半導体層(105)が、コア(102)より薄く形成され、活性層(103)が、導波方向の両端が先端に行くほど先細りの形状を有し、第1半導体層(104)が、平面視でコア(102)の側から第3半導体層(106)の側に行くほど幅が狭くなる台形の形状を有し、導波方向の一端が、活性領域(131)の中央部から離れるほど、幅が狭くなる第1テーパ領域(151)を備え、第2半導体層(105)は、平面視でコア(102)の側から第4半導体層(107)の側に行くほど幅が狭くなる台形の形状を有し、導波方向の一端が、活性領域(131)の中央部から離れるほど、幅が狭くなる第2テーパ領域(152)を備える。
Description
本発明は、光導波路型の光デバイスに関する。
電子回路や光回路が形成されているシリコン基板との一体集積化が可能であり、小型、低消費電力なアクティブ光デバイスとして、光導波路型の光デバイスが研究開発されている(非特許文献1~3参照)。この光デバイスは、SiO2、ベンゾシクロブテン(BCB)、または空気などの低屈折率なクラッドで上下を挟まれたコアに、活性層が埋め込まれた構造を備えている。
この種の光導波路構造の光デバイスにおいては、活性層が埋め込まれているコアの上下については、コアや活性層を構成するInP系材料(屈折率3.2~3.6程度)と、クラッドを構成する低屈折率材料(屈折率1~1.5程度)との間での大きな屈折率差によって、強い光閉じ込めが実現されている。一方で、横方向については、電流注入構造を構成するInP(屈折率3.2程度)と、InP系混晶による活性層(屈折率3.3-3.6程度)との間での比較的小さな屈折率差によって光が閉じ込められている。活性層が埋め込まれているコアを挾んでいる左右のInP領域は、p型およびn型にドーピングされており、これによって活性層への横方向からの電流注入が可能となっている。
通常、活性層を有さないパッシブなInP光導波路としては、コアの上部および左右が、同一の低屈折率材料からなるクラッド層で覆われたチャネル型の構造が用いられる。この光導波路を、上述した光デバイスを接続する場合には、両者間での導波モードの重なりが最大となるようにInPからなるコアの幅(径)が最適化される。
S. Matsuo et al., "Directly modulated buried heterostructure DFB laser on SiO2/Si substrate fabricated by regrowth of InP using bonded active layer", Optics Express, vol. 22, no. 10, pp. 12139-12147, 2014.
T. Hiratani et al., "High-Efficiency Operation of Membrane Distributed-Reflector Lasers on Silicon Substrate", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 23, no. 6, 3700108, 2017.
E. Kanno et al., "Twin-mirror membrane distributed-reflector lasers using 20-μm-long active region on Si substrates", Optics Express, vol. 26, no. 2, pp. 1268-1277, 2018.
ところで、上述した従来の光デバイスでは、横方向の光閉じ込めが、比較的小さな屈折率差によってもたらされているために、導波モードフィールドが横方向に広がってしまい、活性層の光閉じ込め係数を高くすることができない。光閉じ込め係数を高くすることは、例えばレーザダイオード(LD)における低閾値化、直接変調時の高速動作化、半導体光増幅器(SOA)における利得係数の増大、フォトダイオード(PD)における吸収係数の増大など、光デバイスの小型化、低消費電力化、高性能化に重要な役割を果たす。
また、上述したアクティブ光デバイスでは、コアをInP系の化合物半導体から構成し、横方向クラッドをInPから構成しているが、パッシブな光導波路では、コアをInPから構成し、クラッドを空気、SiO2などの低屈折率材料から構成している。このため、両構造における相対的なコア幅の最適化を図ったとしても、両者の間にはモードフィールドの不整合が有意に残存する。活性層を備える光デバイスと、パッシブ光導波路との間での導波モード不整合は、光の放射モードへの散乱損失や意図しない光の反射を招く。このような状態は、LDにおける光共振器Q値の低下や、SOAにおける意図しない共振器形成による発振などの望ましくない結果をもたらすことになる。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、光導波路構造の光デバイスにおける、活性層の領域の光閉じ込めをより高くすることを目的とする。
本発明に係る光デバイスは、クラッド層と、クラッド層の上に形成された化合物半導体からなるコアと、コアの活性領域に埋め込まれた活性層と、クラッド層の上に形成され、活性領域を挟み、コアの側面に接して形成されたn型の化合物半導体からなる第1半導体層およびp型の化合物半導体からなる第2半導体層と、クラッド層の上に形成され、第1半導体層を活性領域との間で挾むように配置され、第1半導体層に接続されたn型の化合物半導体からなる第3半導体層と、クラッド層の上に形成され、第2半導体層を活性領域との間で挾むように配置され、第2半導体層に接続されたp型の化合物半導体からなる第4半導体層と、第3半導体層に接続された第1電極と、第4半導体層に接続された第2電極とを備え、第1半導体層および第2半導体層は、コアより薄く形成され、活性層は、導波方向の端部が先端に行くほど先細りの形状を有し、第1半導体層は、平面視でコアの側から第3半導体層の側に行くほど幅が狭くなる台形の形状を有し、導波方向の一端が、活性領域の中央部から離れるほど、幅が狭くなる第1テーパ領域を備え、第2半導体層は、平面視でコアの側から第4半導体層の側に行くほど幅が狭くなる台形の形状を有し、導波方向の一端が、活性領域の中央部から離れるほど、幅が狭くなる第2テーパ領域を備える。
以上説明したように、本発明によれば、活性領域を挟んで形成された第1半導体層および第2半導体層を、コアより薄くし、第1半導体層および第2半導体層にテーパ領域を設けたので、光導波路構造の光デバイスにおける、活性層の領域の光閉じ込めをより高くすることができる。
以下、本発明の実施の形態に係る光デバイスについて図1A、図1Bを参照して説明する。なお、図1Aは、導波方向に垂直な面の断面を示している。
この光デバイスは、クラッド層101と、クラッド層101の上に形成されたコア102と、コア102に埋め込まれた活性層103と、クラッド層101の上に形成され、クラッド層101の面に平行で、導波方向に垂直な方向で、活性領域131を挟み、コア102の側面に接して形成された第1半導体層104および第2半導体層105とを備える。
クラッド層101は、例えば、酸化シリコンから構成されている。例えば、Siなどの基板の上に形成された酸化シリコン層を、クラッド層101とすることができる。コア102は、例えば、InPなどのIII-V族化合物半導体から構成されている。例えば、クラッド層101の上に、よく知られた有機金属気相成長法などによりInPを堆積することで、コア102が形成できる。
活性層103は、コア102の活性領域131に埋め込まれたている。活性層103は、外形が、例えば直方体とされている。また、第1半導体層104および第2半導体層105は、活性領域131を挾んで配置されている。第1半導体層104は、例えば、n型のInPなどのn型のIII-V族化合物半導体から構成されている。また、第2半導体層105は、例えば、p型のInPなどのp型のIII-V族化合物半導体から構成されている。
また、この光デバイスは、クラッド層101の上に形成され、第1半導体層104を活性領域131との間で挾むように配置された、第1半導体層104に接続された第3半導体層106を備える、また、クラッド層101の上に形成され、第2半導体層105を活性領域131との間で挾むように配置された、第2半導体層105に接続された第4半導体層107を備える、第3半導体層106は、n型のInPなどのn型のIII-V族化合物半導体から構成されている。また、第4半導体層107は、p型のInPなどのp型のIII-V族化合物半導体から構成されている。
また、この光デバイスは、第3半導体層106に電気的に接続された第1電極108と、第4半導体層107に電気的に接続された第2電極109とを備える。なお、この例において、クラッド層101の側を下側として、コア102の上側は、空気をクラッドとしている。
上述した構成に加え、実施の形態に係る光デバイスは、まず、第1半導体層104および第2半導体層105が、コア102より薄く形成されている。なお、この例では、コア102、第1半導体層104、第2半導体層105、第3半導体層106、および第4半導体層107は、一体に形成されている。
また、実施の形態に係る光デバイスは、活性層103が、導波方向の端部が先端に行くほど先細りの形状を有している。この例では、活性層103は、導波方向の両端部が先細りの形状となっている。なお、導波方向は、図1Bの紙面の左右方向である。
また、実施の形態に係る光デバイスは、第1半導体層104が、平面視でコア102の側から第3半導体層106の側に行くほど幅が狭くなる台形の形状を有し、導波方向の一端が、活性領域131の中央部から離れるほど、幅が狭くなる第1テーパ領域151を備える。同様に、第2半導体層105は、平面視でコア102の側から第4半導体層107の側に行くほど幅が狭くなる台形の形状を有し、導波方向の一端が、活性領域131の中央部から離れるほど、幅が狭くなる第2テーパ領域152を備える。
また、この例では、第1半導体層104は、導波方向の他端が、活性領域131の中央部から離れるほど、幅が狭くなる第3テーパ領域153を備える。同様に、第2半導体層105は、導波方向の他端が、活性領域131の中央部から離れるほど、幅が狭くなる第4テーパ領域154を備える。この例において、第1半導体層104および第2半導体層105は、平面視の形状が、活性層103の側を底辺とする等脚台形である。
また、実施の形態に係る光デバイスは、コア102が、活性領域131の一端に、活性領域131から離れるほど平面視で幅が狭くなる第5テーパ領域155を備える。また、コア102は、活性領域131の他端に、活性領域131から離れるほど平面視で幅が狭くなる第6テーパ領域156を備える。この例では、導波方向に活性領域131を挟んで配置されるパッシブ光導波路132,パッシブ光導波路133が、第5テーパ領域155および第6テーパ領域156を介して活性層103(活性領域131)に光学的に接続されている。なお、パッシブ光導波路132,パッシブ光導波路133のコア幅は、活性領域131のコア幅と同一とすることもできる。
上述した構造に製造について簡単に説明すると、例えば、クラッド層101の上にInPからなる薄い半導体層を形成した後、この上に、活性層103となるInP系の半導体層または半導体積層構造を形成する。半導体積層構造は、例えば、多重量子井戸構造である。この後、活性層103となるInP系の半導体層または半導体積層構造を、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、活性層103を形成する。
次に、活性層103を形成することで、この周囲に露出したInPからなる薄い半導体層より、InPを再成長させることで、活性層103を埋め込んだ厚い半導体層を形成し、各導電型の領域とするための不純物導入を実施する。次に、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により、第1半導体層104、第2半導体層105とする領域、および第3半導体層106、第4半導体層107とする領域を形成する。この工程において、パッシブ光導波路132,パッシブ光導波路133のコア102、第5テーパ領域155、第6テーパ領域156のコア102の形状を形成する。パッシブ光導波路132,パッシブ光導波路133、第5テーパ領域155、第6テーパ領域156においては、コア102以外の領域の、InP(半導体)は、すべで除去し、クラッド層101の上面を露出させる。
この後、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により、第1半導体層104、第2半導体層105とする領域の各々に溝を形成して薄くすることで、第1半導体層104、第2半導体層105と、これに続く第3半導体層106、第4半導体層107が形成できる。この場合、いわゆるリブ型と言われる光導波路となっている。
なお、第1半導体層104、第2半導体層105とする領域の各々に溝を形成して薄くした後、第1半導体層104、第2半導体層105とする領域、および第3半導体層106、第4半導体層107とする領域を形成することもできる。活性領域131において、コア102を挾む第1半導体層104および第2半導体層105が、コア102より薄くされているので、クラッド層101の面に平行で、導波方向に垂直な方向におけるコア102に対する光閉じ込めを、同じ厚さの場合に比較してより高めることができる。
この光閉じ込めの効果について、シミュレーションした結果について以下に説明する。図2Aは、光閉じ込めを計算するために用いたシミュレーションの設定値を示す。また、図2Bは,計算された光導波路の基底モードを示している。図2Bの数字は、第1半導体層104、第2半導体層105の厚さを示している。
図2Bに示すように、第1半導体層104および第2半導体層105が薄くなるほど、活性領域131におけるコア102(活性層103)に、モードフィールドが強く閉じ込められていくことがわかる。図3は、活性層103への光閉じ込め係数を、第1半導体層104および第2半導体層105の厚さに対してプロットしたものである。このシミュレーション例においては、厚さ250nmは、コア102と同じ厚さである。第1半導体層104および第2半導体層105を、50nmまで薄くすることで、コア102と同じ厚さの場合に比較して、およそ2倍の光閉じ込めが得られることがわかる。
モードフィールドの局在化は、素子抵抗低減の観点においても望ましい効果をもたらす。すなわち、光導波路型の電流注入光デバイスにおいては、光導波路のモードフィールドが、電極の部分との重なりを持つと、これに由来する大きな光損失が招かれてしまう。このために、電極は、モードフィールドがその存在を感じない地点にまで、コアから引き離すことが重要となる。この点に関し、コアとこの両脇の半導体層とが等しい厚さの従来の光デバイスにおいては、上述のようにモードフィールドが横方向に広がっているため、これに対応して電極も遠い箇所に配置する必要があった。
これに対し、実施の形態に係る光デバイスによれば、モードフィールドが横方向にも強く局在化するために、第1電極108,第2電極109をコア102に近づけることができる。p型InP、InP系活性層、n型InPより成るアクティブ光デバイスにおいては、p型InPが特に大きな抵抗率を有し、素子抵抗はp型InP領域のドーピング濃度および形状に支配される。実施の形態によれば、p型の第2半導体層105が、コア102より薄くされているため、この領域の抵抗は高くなる。一方で、第1電極108,第2電極109をコア102に近づけることができるので、薄くなったことによる抵抗値の上昇は、伝導パスの長さの減少によって相殺することがでる。結果として、コアと半導体層とが同じ厚さの従来技術に比較して、同程度かむしろそれよりも低い素子抵抗を実現することができる。
次に、活性領域131と、パッシブ光導波路132,パッシブ光導波路133との間の光学的な接続に関する計算結果について、図4A,図4B,図4C,図5A,図5B,図5C,図6A,図6B,図6Cを参照して説明する。図4A、図5A、図6Aは、シミュレーション対象の接続領域の構造を示す。図4B、図5B、図6Bは、接続領域を伝搬する光の分布を示す。図4C、図5C、図6C、パッシブ光導波路の端面から活性層に入射した基底モードの光のうち、どれだけの割合が活性層の端面の基底モードに変換されたかを表すパワー透過率を、各々の構造パラメータに対してプロットしたものである。また、図5C、図6Cの中に挿入している数値は、第1半導体層104および第2半導体層105の厚さを示している。
図4A,図4B,図4Cは、従来のコアとこの両脇の半導体層とが同じ厚さの構造に、チャネル型のInP光導波路とを、突き合わせ結合によって接続した場合を示している。このシミュレーション例では、埋め込み活性層の幅を0.6μmとしているが、この条件において最も高いモード変換効率が得られる各寸法は、InP光導波路のコア幅を、およそ1.6μmとした場合であり、この場合のパワー透過率は97.2%となる。これはすなわち、残りの2.8%のパワーが、反射光や放射光などとして失われてしまっていることを意味している。
一方、図5A,図5B,図5C,図6A,図6B,図6Cは、実施の形態における光デバイスであり、活性領域131とパッシブ光導波路132,パッシブ光導波路133とが、光学的に接続されている。なお、この例では、右端部における第1半導体層104および第2半導体層105の幅を0.6μmとしているが、これは本セットアップにおいて、活性領域131の基底モードの光が、この外側の領域(第1電極108、第2電極109)を感じないのに十分な広さである。
まず、図5A,図5B,図5Cでは、活性領域131とパッシブ光導波路132,パッシブ光導波路133とにおいて、コア102の幅を同一としている。図5Cは、第1半導体層104および第2半導体層105の厚さ、および第1テーパ領域151、第2テーパ領域152、第3テーパ領域153、第4テーパ領域154のテーパ長に対するパワー透過率の依存性を示している。この依存性から、第1半導体層104および第2半導体層105の薄層化、およびテーパ化が、活性領域131とパッシブ光導波路132,パッシブ光導波路133との光学的な接続性を、有意に向上させていることがわかる。特に、第1半導体層104および第2半導体層105が、厚さ100nm以下の場合においては、テーパ長がわずか数百nmしかなくても、99.6%以上の非常に高いパワー透過率が得られている。これは従来の技術では得ることのできない高透過率である。
一方で、テーパ長をいくら長くしてもパワー透過率が99.7%程度で高止まりしている傾向も同時に見て取れるが。これは、活性領域131とパッシブ光導波路132,パッシブ光導波路133との間において、矩形の活性層103が非断熱的に出現することに由来するものである。図6A,図6B,図6Cでは、活性層103を、導波方向の端部が先端に行くほど先細りの形状としてテーパ化している。この結果、第1半導体層104および第2半導体層105の厚さ100nm以下、テーパ長数百nmにおいて、活性領域131と、パッシブ光導波路132,パッシブ光導波路133との間で、99.9%を超える極めて高いパワー透過率が得られている。
以上のシミュレーション結果からもわかるように、本発明の実施の形態に係る光デバイスは、わずか数百nm長という非常に短いテーパ領域によって、InP系のパッシブ光導波路として多用されるチャネル型の光導波路によるパッシブ光導波路132,パッシブ光導波路133と、活性領域131とを極めて効率的に接続させることができる。
次に、本発明の実施の形態に係る他の光デバイスについて、図7を参照して説明する。例えば、実施の形態に係る光デバイスは、図7に示すように、導波方向に活性領域131を挟んで形成されたフォトニック結晶構造121から構成した反射部により共振器を構成し、レーザとして用いることができる。フォトニック結晶構造121は、パッシブ光導波路132,パッシブ光導波路133のコア102に、コア102を厚さ方向に貫通する貫通孔を、導波方向に複数配列したものである。なお、フォトニック結晶構造121の代わりに、パッシブ光導波路132,パッシブ光導波路133のコア102の上に回折格子を形成し、これらを反射部として共振器を構成することもできる。
上述したように共振器(反射部)を形成し、反射部で活性領域131を挾み、活性領域に光を閉じ込める構造とすることで、光デバイスを電流注入レーザとして動作させることができる。光取り出しの機構としては、例えば、パッシブ光導波路132のフォトニック結晶構造121の周期数を減らし、これによる透過成分を出力とすることができる。また、例えば、パッシブ光導波路132のコア102に、光結合可能な範囲で近くに配置されるSiコアを形成し、このSiコアによる光導波路で発振光を取り出すこともできる。
実施の形態に係る光デバイスでは、活性領域131の活性層103への光閉じ込め係数が高いため、発振閾値の低下や、直接変調時の高速動作化が得られる。特に、短共振器レーザにおいては、反射部の領域に染み出す光の割合が相対的に大きくなるため、活性層103においてできる限り高い光閉じ込め係数を実現することが重要となる。また、実施の形態に係る光デバイスでは、活性領域131とミラー部(パッシブ光導波路132,パッシブ光導波路133)との間のモードフィールドのマッチングが優れているため、モード不整合に由来する放射損失が低減され、放射損失に由来する共振器Q値の低下を抑制することができる。この放射損失は共振器の長さに反比例する形でスケールするため、放射損失の低減は、短共振器レーザの低閾値発振を実現する上で特に高い効果を発揮する。
次に、本発明の実施の形態に係る他の光デバイスについて、図8を参照して説明する。この光デバイスは、図1Bを用いて説明した光デバイスの、パッシブ光導波路133が無く、パッシブ光導波路132が接続している構成である。この構成では、活性領域131の一端側にパッシブ光導波路132が接続し、活性領域131の他端は、終端されている。この構成において、活性層103への印加電圧をゼロバイアスもしくは逆バイアスとし、受光させたい光信号を、活性領域131を導波させて活性領域131に入力することで、フォトダイオードとして動作させることができる。
実施の形態に係る光デバイスでは、活性領域131における光閉じ込め係数が高いため、より短い活性層長によって効率的に光信号を受光することが可能となり、光デバイスのコンパクト化および、活性層長を短くすることに伴うキャパシタンスの低減による高速動作化を発揮する。また、パッシブ光導波路132と活性領域131との間の放射損失が低減されているため、より高効率に信号を受光することが可能となる。
また、実施の形態に係る光デバイスは、半導体光増幅器として用いることもできる。活性層103に電流を注入して反転分布を起こした上で、例えばパッシブ光導波路132から活性領域131に、増幅させたい光信号を入力する。これにより、活性層103からの誘導放出によって増幅された光信号が、パッシブ光導波路133の側に出力される。この光増幅器の特徴として、活性領域131における活性層103への光閉じ込め係数が高いため、より短い活性層長によって効率的に光信号を増幅することが可能となり、光デバイスのコンパクト化および低消費電力化に効果を発揮する。また、半導体光増幅器では、異なる構造同士の界面などにおける意図しない反射による発振動作がしばしば問題となるが、実施の形態によれば、パッシブ光導波路132,パッシブ光導波路133と活性領域131との間の優れたモードマッチングにより、上述したような望ましくない発振動作を効果的に抑制することができる。
以上に説明したように、本発明によれば、活性領域を挟んで形成された第1半導体層および第2半導体層を、コアより薄くし、第1半導体層および第2半導体層にテーパ領域を設けたので、光導波路構造の光デバイスにおける、活性層の領域の光閉じ込めをより高くすることができる。本発明によれば、従来よりも強い光閉じ込めが得られる。また、光が横方向に強く閉じ込められることで、電極を活性層に接近させることが可能となり、素子抵抗が低減される。さらに、活性領域(活性層)のモードフィールドをパッシブ光導波路とのモードフィールドに近づけているため、短いテーパ構造によって両者の間を断熱性良く接続することができる。
活性層への強い光閉じ込めは、半導体レーザにおける低閾値化、高速変調動作化、半導体光増幅器におけるコンパクト化、低消費電力化、フォトダイオードにおけるコンパクト化、高速動作化をもたらす。素子抵抗の低減は、電流注入時のジュール熱発生を抑制し、半導体レーザや半導体光増幅器における高注入動作を可能とする。活性領域とパッシブ光導波路領域との間の高効率なモード変換は、半導体レーザ(特に、共振器が短いもの)における低閾値化、半導体光増幅器における意図しない発振動作の抑制、フォトダイオードにおける量子効率の上昇をもたらす。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
101…クラッド層、102…コア、103…活性層、104…第1半導体層、105…第2半導体層、106…第3半導体層、107…第4半導体層、108…第1電極、109…第2電極、131…活性領域、132…パッシブ光導波路、133…パッシブ光導波路、151…第1テーパ領域、152…第2テーパ領域、153…第3テーパ領域、154…第4テーパ領域、155…第5テーパ領域、156…第6テーパ領域。
Claims (7)
- クラッド層と、
前記クラッド層の上に形成された化合物半導体からなるコアと、
前記コアの活性領域に埋め込まれた活性層と、
前記クラッド層の上に形成され、前記活性領域を挟み、前記コアの側面に接して形成されたn型の化合物半導体からなる第1半導体層およびp型の化合物半導体からなる第2半導体層と、
前記クラッド層の上に形成され、前記第1半導体層を前記活性領域との間で挾むように配置され、前記第1半導体層に接続されたn型の化合物半導体からなる第3半導体層と、
前記クラッド層の上に形成され、前記第2半導体層を前記活性領域との間で挾むように配置され、前記第2半導体層に接続されたp型の化合物半導体からなる第4半導体層と、
前記第3半導体層に接続された第1電極と、
前記第4半導体層に接続された第2電極と
を備え、
前記第1半導体層および前記第2半導体層は、前記コアより薄く形成され、
前記活性層は、導波方向の端部が先端に行くほど先細りの形状を有し、
前記第1半導体層は、平面視で前記コアの側から前記第3半導体層の側に行くほど幅が狭くなる台形の形状を有し、導波方向の一端が、前記活性領域の中央部から離れるほど、幅が狭くなる第1テーパ領域を備え、
前記第2半導体層は、平面視で前記コアの側から前記第4半導体層の側に行くほど幅が狭くなる台形の形状を有し、導波方向の一端が、前記活性領域の中央部から離れるほど、幅が狭くなる第2テーパ領域を備える
ことを特徴とする光デバイス。 - 請求項1記載の光デバイスにおいて、
前記第1半導体層は、導波方向の他端が、前記活性領域の中央部から離れるほど、幅が狭くなる第3テーパ領域を備え、
前記第2半導体層は、導波方向の他端が、前記活性領域の中央部から離れるほど、幅が狭くなる第4テーパ領域を備える
ことを特徴とする光デバイス。 - 請求項1または2記載の光デバイスにおいて、
前記コアは、前記活性領域の一端に、前記活性領域から離れるほど平面視で幅が狭くなる第5テーパ領域を備えることを特徴とする光デバイス。 - 請求項3記載の光デバイスにおいて、
前記コアは、前記活性領域の他端に、前記活性領域から離れるほど平面視で幅が狭くなる第6テーパ領域を備えることを特徴とする光デバイス。 - 請求項1~4のいずれか1項に記載の光デバイスにおいて、
導波方向に前記活性領域を挟んで形成された共振器をさらに備えることを特徴とする光デバイス。 - 請求項5記載の光デバイスにおいて、
前記共振器は、前記コアに形成されたフォトニック結晶構造から構成されていることを特徴とする光デバイス。 - 請求項5記載の光デバイスにおいて、
前記共振器は、前記コアの上に形成された回折格子から構成されていることを特徴とする光デバイス。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023233567A1 (ja) * | 2022-06-01 | 2023-12-07 | 日本電信電話株式会社 | 光デバイス |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008311536A (ja) * | 2007-06-15 | 2008-12-25 | Fujitsu Ltd | 半導体光増幅装置、半導体光増幅システム及び半導体光集積素子 |
JP2009054873A (ja) * | 2007-08-28 | 2009-03-12 | Toshiba Corp | 発光素子 |
JP2012160524A (ja) * | 2011-01-31 | 2012-08-23 | Hitachi Ltd | 半導体レーザおよびその製造方法 |
JP2016171173A (ja) * | 2015-03-12 | 2016-09-23 | 日本電信電話株式会社 | 半導体光素子 |
US20190131772A1 (en) * | 2017-11-01 | 2019-05-02 | International Business Machines Corporation | Electro-optical device with lateral current injection regions |
US20190140425A1 (en) * | 2017-11-08 | 2019-05-09 | International Business Machines Corporation | Electro-optical device with lateral electron blocking layer |
-
2019
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Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008311536A (ja) * | 2007-06-15 | 2008-12-25 | Fujitsu Ltd | 半導体光増幅装置、半導体光増幅システム及び半導体光集積素子 |
JP2009054873A (ja) * | 2007-08-28 | 2009-03-12 | Toshiba Corp | 発光素子 |
JP2012160524A (ja) * | 2011-01-31 | 2012-08-23 | Hitachi Ltd | 半導体レーザおよびその製造方法 |
JP2016171173A (ja) * | 2015-03-12 | 2016-09-23 | 日本電信電話株式会社 | 半導体光素子 |
US20190131772A1 (en) * | 2017-11-01 | 2019-05-02 | International Business Machines Corporation | Electro-optical device with lateral current injection regions |
US20190140425A1 (en) * | 2017-11-08 | 2019-05-09 | International Business Machines Corporation | Electro-optical device with lateral electron blocking layer |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
AIHARA ET AL.: "Membrane buried-heterostructure DFB laser with an optically coupled III-V/Si waveguide", OPTICS EXPRESS, vol. 27, no. 25, 9 December 2019 (2019-12-09), pages 36438 - 36448, XP055836651 * |
KAKITSUKA ET AL.: "InP-based membrane optical devices for large-scale photonic integrated circuits", NTT TECHNICAL REVIEW, vol. 13, no. 5, May 2015 (2015-05-01), pages 1 - 6, XP055836658 * |
KANNO ET AL.: "Twin-mirror membrane distributed- reflector lasers using 20-pm-long active region on Si substrates", OPTICS EXPRESS, vol. 26, no. 2, 22 January 2018 (2018-01-22), pages 1268 - 1277, XP055836654 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023233567A1 (ja) * | 2022-06-01 | 2023-12-07 | 日本電信電話株式会社 | 光デバイス |
Also Published As
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