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JP2015220322A - Semiconductor optical device - Google Patents

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JP2015220322A
JP2015220322A JP2014102585A JP2014102585A JP2015220322A JP 2015220322 A JP2015220322 A JP 2015220322A JP 2014102585 A JP2014102585 A JP 2014102585A JP 2014102585 A JP2014102585 A JP 2014102585A JP 2015220322 A JP2015220322 A JP 2015220322A
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孝明 硴塚
浩一 長谷部
Koichi Hasebe
浩一 長谷部
具就 佐藤
Tomonari Sato
具就 佐藤
浩司 武田
Koji Takeda
浩司 武田
拓郎 藤井
Takuro Fujii
拓郎 藤井
松尾 慎治
Shinji Matsuo
慎治 松尾
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor optical device capable of solving such problems that it is important to secure sufficient optical output level for applying the lateral implantation laser to an access system network or a metro network, however, in a conventional lateral implantation laser technique, the maximum optical output level of the lateral implantation laser is still limited to 10 mW or less and thus further enhancement of an optical output is required, and that the lateral implantation laser configured to implant current in the lateral direction of an active layer, causes non-uniformity in current distribution in the active layer, thereby producing no effect of enhancing the optical output by increasing the width of the active layer.SOLUTION: A semiconductor optical device is so configured as to form an active layer and an embedded waveguide structure on a semiconductor board, subject embedded layers at both sides of the active layer to impurity doping, and laterally inject a current into the active layer in a lateral direction (width direction). The width of the active layer is minimized as much as possible in a range where an oscillation operation becomes a single waveguide mode and a waveguide mode is present, and the value of the equivalent refractive index of the waveguide is set to about the refractive index of the board.

Description

本発明は、光送信器用光源などに利用される素子の構造に関する。より詳細には、光源用の半導体レーザや変調器などに適用可能な半導体素子に関する。   The present invention relates to a structure of an element used for a light source for an optical transmitter. More specifically, the present invention relates to a semiconductor element applicable to a semiconductor laser for a light source, a modulator, and the like.

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・大容量化が続いている。半導体レーザは、光ファイバ通信を支える光源の基本的なデバイスとして発展を続けてきた。電流強度の変調によって強度変調信号を生成する直接変調レーザは、レーザの構成が簡単であり、しかも消費電力が小さいことから、アクセス系ネットワーク等において利用される低コストの光送信器として現在活用されている。   Due to the explosive increase in the amount of network traffic accompanying the spread of the Internet, optical fiber transmission continues to increase in speed and capacity. Semiconductor lasers have continued to develop as basic light source devices that support optical fiber communications. Direct modulation lasers that generate intensity-modulated signals by current intensity modulation have a simple laser configuration and low power consumption, so they are currently used as low-cost optical transmitters used in access networks and the like. ing.

従来技術の半導体レーザでは、半導体基板上に、下部クラッド層、活性層および上部クラッド層を形成し、活性層の上下にあるクラッド層に不純物ドーピングを行って、縦方向(基板面に垂直な方向)に電流を注入する構造を持っていた。これに対し、活性層内に水平方向(基板面に平行な方向)に電流を注入するいわゆる横注入レーザが、Namizakiにより考案された(非特許文献1)。横注入レーザは、活性層の横にあるクラッド層に不純物ドーピングを行い、活性層の横方向(幅方向)に電流を注入する。横注入レーザにおいては、活性層の断面は、一般に基板に平行な方向に長い扁平な構造により形成される。同一の構造の活性層をレーザに用いた場合は、素子の寄生容量は、横注入構造の方が縦注入構造よりも低くなる。したがって、横注入構造のレーザの方がより高速に信号応答し、高速な変調動作に適している。また、横注入レーザでは電流注入用の電極をレーザの表面に形成できることから、電子デバイス等の集積化やモジュール化により適している点も優れた特徴である。   In a conventional semiconductor laser, a lower cladding layer, an active layer, and an upper cladding layer are formed on a semiconductor substrate, impurity doping is performed on the cladding layers above and below the active layer, and the longitudinal direction (direction perpendicular to the substrate surface) ) Had a structure for injecting current. In contrast, Namizaki devised a so-called lateral injection laser that injects a current in the active layer in a horizontal direction (a direction parallel to the substrate surface) (Non-patent Document 1). The lateral injection laser performs impurity doping on the cladding layer next to the active layer and injects a current in the lateral direction (width direction) of the active layer. In the lateral injection laser, the cross section of the active layer is generally formed by a flat structure that is long in a direction parallel to the substrate. When an active layer having the same structure is used for a laser, the parasitic capacitance of the element is lower in the lateral injection structure than in the vertical injection structure. Therefore, the laser having the lateral injection structure is more suitable for high-speed modulation operation because it responds more quickly to signals. In addition, the lateral injection laser can form an electrode for current injection on the surface of the laser, and is therefore an excellent feature that it is suitable for integration of electronic devices and modularization.

具体的には、NamizakiらはGaAs基板上に構成した横注入半導体レーザを実現し、その後、KawamuraらはInP基板上に構成した横注入レーザも実現した(非特許文献2)。以下、まず横注入レーザのより具体的な構成について説明する。   Specifically, Namizaki et al. Realized a lateral injection semiconductor laser configured on a GaAs substrate, and Kawamura et al. Also realized a lateral injection laser configured on an InP substrate (Non-Patent Document 2). Hereinafter, first, a more specific configuration of the lateral injection laser will be described.

図7は、従来技術の横注入レーザ用の導波路の構造を示す図である。レーザの共振器部分に利用される導波路を、光の往復方向に垂直な面で切った導波路構造100を示している。導波路構造100は、半絶縁性InP基板102上に光−キャリア分離閉じ込め(SCH:Separate Confinement Heterostructure)層103、活性層104が形成されており、さらに活性層104の上には、光−キャリア分離閉じ込め層105が形成されている。さらに、SCH層105の上には、InP層106が形成されている。活性層104の横は、左右ともにInPによって埋め込まれている。図7で活性層504の左側の埋込み層107には電流注入のためのn型ドーピングが施されており、活性層104の右側の埋込み層108には、p型ドーピングが施されている。埋込み層107、埋込み層108の上には、それぞれ電流注入用のInGaAsコンタクト層109a、109bが形成されている。さらに、コンタクト層109a、109bの上には、それぞれ電流注入用の電極110a、110bが形成されている。   FIG. 7 is a diagram showing the structure of a waveguide for a lateral injection laser according to the prior art. A waveguide structure 100 is shown in which a waveguide used for a resonator portion of a laser is cut by a plane perpendicular to the light reciprocation direction. In the waveguide structure 100, a light-carrier separation confinement (SCH) layer 103 and an active layer 104 are formed on a semi-insulating InP substrate 102, and a light-carrier is further formed on the active layer 104. A separate confinement layer 105 is formed. Further, an InP layer 106 is formed on the SCH layer 105. The sides of the active layer 104 are embedded with InP on both the left and right sides. In FIG. 7, the buried layer 107 on the left side of the active layer 504 is subjected to n-type doping for current injection, and the buried layer 108 on the right side of the active layer 104 is subjected to p-type doping. On the buried layer 107 and the buried layer 108, InGaAs contact layers 109a and 109b for current injection are formed, respectively. Furthermore, electrodes 110a and 110b for current injection are formed on the contact layers 109a and 109b, respectively.

Kawamuraらの検討においては、活性層104の上部のInPクラッド層106の厚さは1.5μmであり、従来技術の縦注入レーザと変わらない構造であった。近年、Shindoらは、InP基板上に厚さ400nm弱の薄い活性層と薄いInP層から構成された薄膜横注入レーザを実現した(非特許文献3)。既に述べたように、横注入レーザ構造の場合、活性層の上下にあるクラッド層の厚さを薄くすることによって、素子の寄生容量を抑制できる利点がある。Shindoらは、横注入レーザにおいてこの薄膜構造を採用することにより、5GHzにも至る広い変調帯域を実現した。   In the study by Kawamura et al., The thickness of the InP clad layer 106 above the active layer 104 is 1.5 μm, which is the same structure as the vertical injection laser of the prior art. In recent years, Shindo et al. Realized a thin-film lateral injection laser composed of a thin active layer having a thickness of less than 400 nm and a thin InP layer on an InP substrate (Non-patent Document 3). As already described, in the case of the lateral injection laser structure, there is an advantage that the parasitic capacitance of the element can be suppressed by reducing the thickness of the cladding layers above and below the active layer. Shindo et al. Realized a wide modulation band up to 5 GHz by adopting this thin film structure in a lateral injection laser.

H. Namizaki他, Journal of Applied Physics, vol. 45, pp. 2785-2786 (1974)H. Namizaki et al., Journal of Applied Physics, vol. 45, pp. 2785-2786 (1974) Y. Kawamura他, Electronics Letters, vol. 29, pp. 102-104 (1993)Y. Kawamura et al., Electronics Letters, vol. 29, pp. 102-104 (1993) T. Shindo他, Optics Express, vol. 19, pp. 1884-1891 (2011)T. Shindo et al., Optics Express, vol. 19, pp. 1884-1891 (2011)

広い変調帯域を実現できる横注入レーザであるが、横注入レーザをアクセス系ネットワークやメトロネットワークに適用するためには、十分な光出力レベルを確保することが重要である。しかしながら、従来技術の横注入レーザにおいては、非特許文献3に見られるように最大の光出力レベルは依然として10mW以下にとどまっており、光出力をさらに高出力化することが望まれている。   Although it is a transverse injection laser that can realize a wide modulation band, it is important to secure a sufficient light output level in order to apply the transverse injection laser to an access network or a metro network. However, in the conventional lateral injection laser, as shown in Non-Patent Document 3, the maximum light output level is still 10 mW or less, and it is desired to further increase the light output.

従来技術の縦方向の電流注入レーザでは、活性層幅を1μm以上として、活性層の体積を大きくした構造が、光出力を高出力化するための一般的で方法であった。しかしながら、横注入レーザでは、活性層の横方向(幅方向)に電流を注入する構造であるため、活性層内の電流分布に不均一性が生じ、活性層幅を増やすことによっては高出力化の効果が得られないことが知られていた。したがって横注入レーザでは、活性層内における電流分布の不均一性の問題を回避するとともに、さらに高い光出力を得ることが求められている。   In the conventional vertical current injection laser, a structure in which the active layer width is 1 μm or more and the volume of the active layer is increased is a general method for increasing the optical output. However, since the lateral injection laser has a structure in which current is injected in the lateral direction (width direction) of the active layer, nonuniformity occurs in the current distribution in the active layer, and the output can be increased by increasing the active layer width. It was known that the effect of could not be obtained. Therefore, in the lateral injection laser, it is required to avoid the problem of non-uniformity of current distribution in the active layer and to obtain a higher light output.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、より高い光出力レベルを実現可能な横注入レーザを提供するところにある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a lateral injection laser capable of realizing a higher light output level.

本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、半導体基板と、前記半導体基板の上に形成された活性層と、上部クラッド層と、前記活性層の両側に埋込み層とを備えた導波路構造が形成され、前記埋込み層の一方にp型の不純物ドーピングが施され、前記埋込み層の他方にn型の不純物ドーピングが施され、前記一方の埋め込み層および前記他方の埋め込み層の間で、前記活性層に横方向に電流注入を行う構造が形成されており、電流注入によるレーザ発振を可能とする反射器を備えている半導体光素子において、前記活性層の前記横方向の幅は、前記半導体素子が発振動作をするときに、発振モードが単一導波モードとなり、前記導波モードが存在できる範囲の値であって、前記導波路構造の導波路の等価屈折率の値が、前記基板の屈折率と概ね同一であることを特徴とする半導体光素子である。
請求項2に記載の発明は、請求項1の半導体光素子において、前記上部クラッド層の厚さが1μmよりも薄いことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides a semiconductor substrate, an active layer formed on the semiconductor substrate, an upper cladding layer, and both sides of the active layer. A waveguide structure having a buried layer formed thereon, p-type impurity doping is performed on one of the buried layers, and n-type impurity doping is performed on the other of the buried layers. In the semiconductor optical device provided with a reflector for enabling laser oscillation by current injection, wherein a structure for performing current injection in the lateral direction is formed in the active layer between the other buried layers. The width in the horizontal direction is a value within a range in which the oscillation mode becomes a single waveguide mode and the waveguide mode can exist when the semiconductor element oscillates, and the waveguide having the waveguide structure Equivalent refractive index of Value is a semiconductor optical device characterized in that it is substantially identical to the refractive index of the substrate.
According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor optical device according to the first aspect, the thickness of the upper clad layer is thinner than 1 μm.

請求項3に記載の発明は、請求項1または2の半導体光素子において、前記反射器は、前記活性層の上方に形成された表面回折格子であることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor optical device of the first or second aspect, the reflector is a surface diffraction grating formed above the active layer.

請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3いずれかの半導体光素子において、前記等価屈折率は、前記基板の屈折率の100%から100.3%の範囲にあることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor optical device according to any one of the first to third aspects, the equivalent refractive index is in the range of 100% to 100.3% of the refractive index of the substrate. .

請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4いずれかの半導体光素子において、前記半導体基板は、半絶縁性InP基板であって、前記上部クラッド層および前記埋込み層はInPで構成され、前記活性層はInGaAsPまたはInGaAlAsで構成されることを特徴とする。   The invention according to claim 5 is the semiconductor optical device according to any one of claims 1 to 4, wherein the semiconductor substrate is a semi-insulating InP substrate, and the upper clad layer and the buried layer are made of InP, The active layer is composed of InGaAsP or InGaAlAs.

請求項6に記載の発明は、請請求項1乃至5いずれかに記載の半導体光素子における導波路構造を有することを特徴とする分布帰還型半導体レーザである。   A sixth aspect of the present invention is a distributed feedback semiconductor laser having a waveguide structure in the semiconductor optical device according to any one of the first to fifth aspects.

以上説明したように、本発明の半導体光素子によって、より高い光出力レベルを実現可能な横注入レーザを提供することができる。   As described above, the semiconductor optical device of the present invention can provide a lateral injection laser that can realize a higher light output level.

図1は、本発明の横注入レーザの導波路および全体構造を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a waveguide and an overall structure of a lateral injection laser according to the present invention. 図2は、本発明の横注入レーザの導波路構造における等価屈折率の活性層幅依存性を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the active layer width dependence of the equivalent refractive index in the waveguide structure of the lateral injection laser of the present invention. 図3は、従来技術の横注入レーザと本発明の活性層幅を極力狭くした横注入レーザ間で電界分布を比較した概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram comparing the electric field distribution between the lateral injection laser of the prior art and the lateral injection laser of the present invention in which the active layer width is made as narrow as possible. 図4は、本発明の横注入レーザにおけるpクラッド領域の光閉じ込めの活性層幅依存性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the active layer width dependence of optical confinement in the p-clad region in the lateral injection laser of the present invention. 図5は、pクラッド領域において生じる伝搬損の活性層幅依存性を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the dependence of the propagation loss generated in the p-clad region on the active layer width. 図6は、本発明の横注入レーザの電流―出力曲線を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a current-output curve of the lateral injection laser of the present invention. 図7は、従来技術の横注入レーザ用の導波路の構造を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the structure of a waveguide for a lateral injection laser according to the prior art. 図8は、横注入レーザの活性層断面における電子およびホール分布をシミュレーションした結果を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the result of simulating the electron and hole distribution in the cross section of the active layer of the lateral injection laser. 図9は、図8と同じ各場合において活性層断面における誘導放出強度の分布を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the distribution of stimulated emission intensity in the cross section of the active layer in the same cases as in FIG. 図10は、本発明の半導体光素子を横注入レーザに適用した別の導波路の単純化した構造を示す図であるFIG. 10 is a diagram showing a simplified structure of another waveguide in which the semiconductor optical device of the present invention is applied to a lateral injection laser. 図11は、コア層高さが250nmの素子について、上部クラッドInP層の厚さを変えた場合の、光閉じ込めおよび実効屈折率と基板の屈折率の比率の活性層幅依存性を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the optical layer dependence of the optical confinement and the ratio of the effective refractive index to the refractive index of the substrate when the thickness of the upper cladding InP layer is changed for an element having a core layer height of 250 nm. is there. 図12は、コア層高さが350nmの素子について、上部クラッドInP層の厚さを変えた場合の、光閉じ込めおよび実効屈折率と基板の屈折率の比率の活性層幅依存性を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing the optical layer dependence of the optical confinement and the ratio of the effective refractive index to the refractive index of the substrate when the thickness of the upper cladding InP layer is changed for an element having a core layer height of 350 nm. is there. 図13は、コア層高さが450nmの素子について、上部クラッドInP層の厚さを変えた場合の、光閉じ込めおよび実効屈折率と基板の屈折率の比率の活性層幅依存性を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the optical confinement and the active layer width dependence of the ratio of the effective refractive index and the refractive index of the substrate when the thickness of the upper cladding InP layer is changed for an element having a core layer height of 450 nm. is there.

発明者らは、横注入レーザの活性層における上述の問題点をもう一度見直し、光出力を高出力化する半導体光素子の構成を見出した。本発明の半導体光素子は、半導体基板上に、活性層および埋込み導波路構造が形成され、活性層の両側にある埋込み層に不純物ドーピングが施され、活性層に横方向(幅方向)に電流注入を行う構造において、活性層幅を、単一導波モードとなり、かつ導波モードが存在する範囲で狭くし、導波路の等価屈折率の値が基板の等価屈折率と概ね同程度となるように設定されている。本構造を半導体レーザに適用し、活性層上部に回折格子を形成することにより分布帰還型半導体レーザを構成した。本発明は、活性層に逆バイアスを印加することで、電界吸収変調器にも適用できる。以下、図面を参照しながら本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。   The inventors have reviewed the above-mentioned problems in the active layer of the lateral injection laser once again and have found a configuration of a semiconductor optical device that increases the light output. In the semiconductor optical device of the present invention, an active layer and a buried waveguide structure are formed on a semiconductor substrate, impurity doping is performed on the buried layers on both sides of the active layer, and current is applied to the active layer in the lateral direction (width direction). In the structure in which injection is performed, the active layer width becomes a single waveguide mode and is narrowed within the range in which the waveguide mode exists, and the value of the equivalent refractive index of the waveguide is approximately the same as the equivalent refractive index of the substrate. Is set to This structure was applied to a semiconductor laser, and a distributed feedback semiconductor laser was constructed by forming a diffraction grating on the active layer. The present invention can also be applied to an electroabsorption modulator by applying a reverse bias to the active layer. Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1の(a)は、本発明の半導体光素子を横注入レーザに適用した導波路の構造を示す図である。図1の(a)では、レーザの共振器部分に利用される導波路を共振器内の光の往復方向に垂直な面で切った導波路構造1を示している。導波路構造1は、半絶縁性InP基板2上に、バンドギャップ波長1.2μmのInGaAsP光キャリア分離閉じ込め(SCH)層3、発光波長1.55μmのInGaAsP活性層4が順次形成されている。活性層4は、井戸層厚6nmおよびバリア層厚9nmの14層で構成された量子井戸から形成される。活性層4の上にはバンドギャップ波長1.2μmのInGaAsP SCH層5が形成されている。さらに活性層4の上方でSCH層5の上には、厚さ100nmのInP層6が形成される。   FIG. 1A is a diagram showing the structure of a waveguide in which the semiconductor optical device of the present invention is applied to a lateral injection laser. FIG. 1A shows a waveguide structure 1 in which a waveguide used for a laser resonator is cut by a plane perpendicular to the reciprocating direction of light in the resonator. In the waveguide structure 1, an InGaAsP optical carrier separation and confinement (SCH) layer 3 having a band gap wavelength of 1.2 μm and an InGaAsP active layer 4 having an emission wavelength of 1.55 μm are sequentially formed on a semi-insulating InP substrate 2. The active layer 4 is formed of a quantum well composed of 14 layers having a well layer thickness of 6 nm and a barrier layer thickness of 9 nm. On the active layer 4, an InGaAsP SCH layer 5 having a band gap wavelength of 1.2 μm is formed. Further, an InP layer 6 having a thickness of 100 nm is formed on the SCH layer 5 above the active layer 4.

InP層6の表面には、InPをエッチングすることによって、InPおよび空気からなるブラッグ波長1.55μmの回折格子が形成されている。この回折格子は、電流注入によるレーザ発振を可能とする反射器として機能する。活性層4の両側は、異なるタイプのドーピングが施されたInPによって埋め込まれている。すなわち、電流注入のために、図1の活性層4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7、活性層4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8が構成されている。埋め込み層7、8の上部には、それぞれ電流注入用のInGaAsコンタクト層9a、9bが形成され、コンタクト層領域9a、9b上には、それぞれ電流注入用の電極10a、10bが形成されている。 On the surface of the InP layer 6, a diffraction grating having a Bragg wavelength of 1.55 μm made of InP and air is formed by etching InP. This diffraction grating functions as a reflector that enables laser oscillation by current injection. Both sides of the active layer 4 are filled with InP with different types of doping. That is, for current injection, a Si n-type doping layer 7 having a doping concentration of 1 × 10 18 cm −3 is disposed on the left side of the active layer 4 in FIG. 1, and a doping concentration of 1 × 10 6 is disposed on the right side of the active layer 4. A 18 cm −3 Zn p-type doping layer 8 is formed. On the buried layers 7 and 8, InGaAs contact layers 9a and 9b for current injection are formed, respectively, and electrodes 10a and 10b for current injection are formed on the contact layer regions 9a and 9b, respectively.

図1の(b)は、本発明の半導体光素子の構造を適用した横注入レーザを斜め上から見た鳥瞰図である。本発明の横注入レーザは、最上面のInP層6上であって電極10a、10bの間の領域に繰り返し構造である表面回折格子11が形成され、これによって共振器が構成された分布帰還型レーザである。共振器両端のレーザ出力端面には無反射コーティングを施してある。本発明の横注入レーザの作製にあたっては、結晶成長には有機金属気相成長法(MOVPE)、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。活性層4の左右の電流注入用の埋め込みドーピング層7、8は、n型ドーピングされたInPおよびp型ドーピングされたInPを、それぞれ埋込み再成長することによって形成することができる。また、活性層4の形成後に真性InPを埋込み再成長し、その後にイオン注入または熱拡散等の手法によってドーパントを形成しても良い。   FIG. 1B is a bird's-eye view of a lateral injection laser to which the structure of the semiconductor optical device of the present invention is applied, viewed from obliquely above. The lateral injection laser of the present invention is a distributed feedback type in which a surface diffraction grating 11 having a repetitive structure is formed on a top InP layer 6 and between electrodes 10a and 10b, thereby forming a resonator. It is a laser. Anti-reflective coating is applied to the laser output end faces at both ends of the resonator. In producing the lateral injection laser of the present invention, metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) is used for crystal growth, and a general semiconductor laser such as wet etching or dry etching is used for producing a laser waveguide structure and a diffraction grating. The method can be used. The buried doping layers 7 and 8 for current injection on the left and right sides of the active layer 4 can be formed by embedding and regrowing n-type doped InP and p-type doped InP, respectively. Further, after the active layer 4 is formed, intrinsic InP may be buried and regrown, and then a dopant may be formed by a technique such as ion implantation or thermal diffusion.

既に述べたように、従来技術の縦注入レーザでは、導波路(活性層)幅を広げることによって光出力の高出力化を実現していた。発明者らは、横注入レーザにおいて、キャリア分布の不均一を避けるためにも、むしろ逆に導波路幅を狭めた構成における発振器の振る舞いに着目した。そして、縦方向レーザで有効と考えられていた導波路幅の拡張とは逆の構成をとることによって、光出力を増大できる構成を見いだした。本発明の横注入レーザでは、活性層の幅を、共振器における発振動作が単一導波モードとなり、かつ、導波モードが存在し得る範囲で狭くして、導波路の等価屈折率の値が基板の屈折率程度となるように設定する。具体的には、図1に対応する構造の場合、導波路幅を0.5μmとする。また後述するように、活性層内の全領域で誘導放出が生じるために、活性層の最大幅は1μm程度が目安となる。以下、本発明の導波路幅の狭い構成の横注入レーザの動作について説明する。   As already described, in the vertical injection laser of the prior art, high output of light output is realized by widening the waveguide (active layer) width. The inventors focused attention on the behavior of the oscillator in a configuration in which the waveguide width is narrowed in order to avoid nonuniform carrier distribution in the lateral injection laser. Then, the inventors have found a configuration that can increase the optical output by adopting a configuration opposite to the expansion of the waveguide width, which is considered effective for the longitudinal laser. In the lateral injection laser of the present invention, the width of the active layer is made narrow so that the oscillation operation in the resonator becomes a single waveguide mode and the waveguide mode can exist, and the value of the equivalent refractive index of the waveguide is obtained. Is set to be approximately the refractive index of the substrate. Specifically, in the case of the structure corresponding to FIG. 1, the waveguide width is 0.5 μm. As will be described later, since stimulated emission occurs in the entire region of the active layer, the maximum width of the active layer is about 1 μm. The operation of the lateral injection laser having a narrow waveguide width according to the present invention will be described below.

図8は、横注入レーザの活性層断面における電子およびホール分布をシミュレーションした結果を示す図である。活性層の断面において光の進行方向に垂直な方向の活性層幅が2μmおよび0.5μmの各場合についてキャリア密度(cm−3)比較したものである。図8の(a)では、活性層幅が2μmの素子の場合を、(b)では、活性層幅が0.5μmの素子の場合をそれぞれ示す。活性層の両側にある埋め込み層は、nドーピング、pドーピング濃度がそれぞれ1×1018cm−3でドーピングされている。活性層としては、井戸層厚6nmおよびバリア層厚9nmが14層形成された量子井戸を例に計算している。尚、図8の断面図の量子井戸内の各層は簡略化して描いてある。 FIG. 8 is a diagram showing the result of simulating the electron and hole distribution in the cross section of the active layer of the lateral injection laser. In the cross section of the active layer, the carrier density (cm −3 ) is compared for each case where the active layer width in the direction perpendicular to the light traveling direction is 2 μm and 0.5 μm. 8A shows the case of an element having an active layer width of 2 μm, and FIG. 8B shows the case of an element having an active layer width of 0.5 μm. The buried layers on both sides of the active layer are doped with n doping and p doping concentrations of 1 × 10 18 cm −3 , respectively. As the active layer, a quantum well in which a well layer thickness of 6 nm and a barrier layer thickness of 9 nm are formed is calculated as an example. It should be noted that each layer in the quantum well in the cross-sectional view of FIG.

図8の(a)を参照すれば、矢印で表した活性層領域内において、電子およびホールがp型の埋め込み層側の領域に局在していることがわかる。既に述べたように、キャリアの局在化のため、活性層の幅が2μmの場合のような導波路幅の広いレーザにおける内部量子効率が低下し、発光効率は大きく低下する。図8の(b)のように、発生層幅が0.5μmと狭い場合は、キャリアの局在は顕著ではない。   Referring to FIG. 8A, it can be seen that electrons and holes are localized in a region on the p-type buried layer side in the active layer region indicated by the arrow. As already described, due to the localization of carriers, the internal quantum efficiency in a laser with a wide waveguide width as in the case where the width of the active layer is 2 μm is reduced, and the light emission efficiency is greatly reduced. As shown in FIG. 8B, when the generation layer width is as narrow as 0.5 μm, the carrier localization is not remarkable.

図9は、図8と同じ導波路幅の各場合において活性層断面における誘導放出の分布を示す図である。図9の(b)に示したように、活性層幅が0.5μmの素子においては、活性層の幅の概ね全領域で誘導放出が生じている。一方で、図9の(a)に示した活性層幅が2μmの素子においては、矢印で示した活性層内のp型の埋め込み層側にある半分程度(1μm)の領域でしか誘導放出が生じていない。発明者らは、キャリアの走行距離が長くなると変調に対する応答が遅くなることから、活性層の幅を狭くすることは、直接変調レーザの高速な応答および広い変調帯域を実現する点からもむしろ望ましいと考えた。   FIG. 9 is a diagram showing a distribution of stimulated emission in the cross section of the active layer in each case of the same waveguide width as that in FIG. As shown in FIG. 9B, in an element having an active layer width of 0.5 μm, stimulated emission occurs in almost the entire region of the active layer width. On the other hand, in the device having an active layer width of 2 μm shown in FIG. 9A, the stimulated emission occurs only in a half (1 μm) region on the p-type buried layer side in the active layer indicated by the arrow. It has not occurred. Since the inventors have a slower response to modulation as the carrier travels longer, reducing the width of the active layer is rather desirable from the standpoint of realizing a fast response of a directly modulated laser and a wide modulation band. I thought.

図2は、本発明の横注入レーザの導波路構造における等価屈折率の活性層幅依存性を示す図である。横軸に活性層幅(μm)を、縦軸に等価屈折率を示す。レーザが単一モードで動作するためには、高次モードが出現しないように活性層幅を制御する必要がある。図2を参照すれば、1次モードが出現しないようにするために、本発明の横注入レーザの構成では活性層幅をまず1.6μm以下にする必要がある。さらに、活性層内の全領域で誘導放出が生じるためには、図9の(a)における誘導放出の生じている横方向の幅を考慮して、活性層の最大幅としては1μm程度が目安となる。   FIG. 2 is a diagram showing the active layer width dependence of the equivalent refractive index in the waveguide structure of the lateral injection laser of the present invention. The horizontal axis represents the active layer width (μm), and the vertical axis represents the equivalent refractive index. In order for the laser to operate in a single mode, it is necessary to control the active layer width so that a higher-order mode does not appear. Referring to FIG. 2, in order to prevent the primary mode from appearing, in the configuration of the lateral injection laser according to the present invention, it is necessary to first set the active layer width to 1.6 μm or less. Further, in order to cause stimulated emission in the entire region in the active layer, the maximum width of the active layer is approximately 1 μm as a guide in consideration of the lateral width in which stimulated emission occurs in FIG. It becomes.

好ましくは、本発明の横注入レーザにおける活性層幅を、基本モードにおける導波路の等価屈折率がほぼInP基板2の屈折率3.17と同じであって、0次モードが存在することのできる最小の導波路幅の値とする。ここで等価屈折率とは、導波モードにおける伝搬光の位相変化に関わる屈折率である。図1に示した横注入レーザの構成の場合は、0.5μmがこの最小の導波路幅の値に対応する。以下、最小の導波路幅を持つ構造を利用する本発明の横注入レーザで、得られる効果を説明する。   Preferably, the width of the active layer in the lateral injection laser according to the present invention is such that the equivalent refractive index of the waveguide in the fundamental mode is substantially the same as the refractive index of 3.17 of the InP substrate 2, and the zero-order mode can exist. Let the value be the minimum waveguide width. Here, the equivalent refractive index is a refractive index related to a phase change of propagating light in the waveguide mode. In the case of the configuration of the lateral injection laser shown in FIG. 1, 0.5 μm corresponds to this minimum waveguide width value. Hereinafter, effects obtained by the lateral injection laser of the present invention using a structure having the minimum waveguide width will be described.

ファブリペローレーザの半導体レーザの外部微分量子効率ηは、内部微分量子効率ηi、活性層の伝搬損α、レーザ端面の反射率R、活性層長Lを用いて次式のように表される。 The external differential quantum efficiency η d of the semiconductor laser of the Fabry-Perot laser is expressed as follows using the internal differential quantum efficiency η i , the propagation loss α i of the active layer, the reflectance R of the laser end face, and the active layer length L. Is done.

Figure 2015220322
Figure 2015220322

外部微分量子効率ηは、入射したキャリアの数に対して取り出される光子の比率として定義され、よく知られたパラメータである。式(1)によれば、活性層の内部微分量子効率ηを増やし、さらに活性層の伝搬損αを減らすことによってレーザの効率ηを高くすることができる。上述のように、横注入レーザにおいては活性層の幅が狭いほど内部微分量子効率が高い。一方、活性層の伝搬損すなわち導波路損を考察すると、その主な要因は、活性層の横に形成されたpクラッド領域で生じる吸収損失と考えられる。p型InP層8の吸収損失は、ドーピング濃度1×1018cm−3あたり約20cm−1である。従来技術の縦注入レーザにおいては、活性層の幅が狭くなるほど、埋め込み層であるpクラッド領域(p型InP層8)側に導波モードの電界分布が広がり、クラッド領域の光損失は増大するのが一般的であった。 The external differential quantum efficiency η d is defined as the ratio of photons extracted with respect to the number of incident carriers and is a well-known parameter. According to equation (1), the internal differential quantum efficiency η i of the active layer can be increased, and the propagation loss α i of the active layer can be further decreased to increase the laser efficiency η d . As described above, in the lateral injection laser, the internal differential quantum efficiency is higher as the width of the active layer is narrower. On the other hand, considering the propagation loss of the active layer, that is, the waveguide loss, the main factor is considered to be an absorption loss generated in the p-clad region formed beside the active layer. The absorption loss of the p-type InP layer 8 is about 20 cm −1 per doping concentration of 1 × 10 18 cm −3 . In the vertical injection laser of the prior art, as the width of the active layer becomes narrower, the electric field distribution of the waveguide mode spreads toward the p-clad region (p-type InP layer 8), which is a buried layer, and the optical loss in the cladding region increases. It was common.

しかしながら、本発明の横注入レーザの構造においては、活性層上部のクラッド層InP層6が100nmと薄いため、光の閉じ込めは素子上面の空気の影響をより強く受ける。これによって、電界分布が活性層に対して基板方向に非対称に広がるため、pクラッド領域における損失を抑制することができる。   However, in the structure of the lateral injection laser of the present invention, the clad layer InP layer 6 above the active layer is as thin as 100 nm, so that the light confinement is more strongly affected by the air on the upper surface of the device. As a result, the electric field distribution spreads asymmetrically in the substrate direction with respect to the active layer, so that loss in the p-clad region can be suppressed.

縦注入構造においては、上部クラッド層の上に電極を配置する必要があった。このため、損失抑制のためにクラッド上部に電界が存在しないように上部クラッド層を厚くする必要があり、前述したように1.5μm程度の厚さが必要であった。一方、本発明の横注入レーザにおいては、活性層上部の伝搬損の懸念が少なく、上部クラッド層を1μm以下とし、電界分布の非対称性を積極的に利用できることが大きな特徴である。次に、電界分布の比較によって、本発明の構成と従来技術の構成との間で、より具体的な導波路損の差異について説明する。   In the vertical injection structure, it is necessary to dispose an electrode on the upper cladding layer. For this reason, in order to suppress loss, it is necessary to increase the thickness of the upper clad layer so that no electric field exists above the clad, and as described above, a thickness of about 1.5 μm is necessary. On the other hand, the transverse injection laser according to the present invention is characterized in that there is little concern about propagation loss above the active layer, the upper clad layer is 1 μm or less, and the electric field distribution asymmetry can be used positively. Next, a more specific difference in waveguide loss between the configuration of the present invention and the configuration of the prior art will be described by comparing electric field distributions.

図3は、従来技術の横注入レーザと本発明の活性層幅を極力狭くした横注入レーザ間で電界分布を比較した概念図である。図3の(a)は、活性層幅が広い従来技術の横注入レーザの場合の電界分布を、図3の(b)は本発明により活性層幅を極力狭くした横注入レーザの場合の電界分布を示している。(a)に示したように、導波路幅が比較的広い場合には、電界の広がり31は、活性層4を中心として概ね楕円形状で広がる。このとき、電界の広がり31とp型InP層8との重複部分33において導波路損が発生する。   FIG. 3 is a conceptual diagram comparing the electric field distribution between the lateral injection laser of the prior art and the lateral injection laser of the present invention in which the active layer width is made as narrow as possible. 3A shows the electric field distribution in the case of a conventional lateral injection laser with a wide active layer width, and FIG. 3B shows the electric field in the case of a lateral injection laser with the active layer width made as narrow as possible according to the present invention. Distribution is shown. As shown in (a), when the waveguide width is relatively wide, the electric field spread 31 spreads in an approximately elliptical shape with the active layer 4 as the center. At this time, a waveguide loss occurs in the overlapping portion 33 between the electric field spread 31 and the p-type InP layer 8.

一方、図3の(b)に示したように、導波路幅がより狭い場合には、電界の広がり32は、活性層4の下方のInP基板2側にずれた位置を中心とした概ね円形状に広がる。このときも、電界の広がり領域32と、p型InP層8との重複部分34において導波路損が発生する。   On the other hand, as shown in FIG. 3B, when the waveguide width is narrower, the electric field spread 32 is approximately a circle centered on the position shifted to the InP substrate 2 side below the active layer 4. Spread in shape. Also at this time, a waveguide loss occurs in the overlapping portion 34 between the electric field spreading region 32 and the p-type InP layer 8.

埋め込み領域であるp型クラッド領域における光閉じ込めは、p型クラッド領域内の光エネルギーと全領域の光エネルギーの比により表される。本発明の横注入レーザの構造においては、(b)に示したように、InP基板2方向により広く電界分布が広がるため、p型クラッド領域内の電界重複部分の面積の、全電界広がりの面積に対する比率が、従来技術の構造と比較して小さくなる。これは、図3の(a)における電界広がり領域31とp型クラッド領域内の重複領域33との面積比を、図3の(b)における電界広がり領域32とp型クラッド領域内の重複領域34との面積比と比較すれば、簡単に理解できるだろう。上述の電界分布の差異によって、本発明の横注入レーザでは、埋め込み層であるpクラッド領域における光閉じ込めが低下し、伝搬損失を抑制できる。   The light confinement in the p-type cladding region, which is the buried region, is expressed by the ratio of the light energy in the p-type cladding region to the light energy in the entire region. In the structure of the lateral injection laser of the present invention, as shown in (b), since the electric field distribution spreads more widely in the direction of the InP substrate 2, the area of the entire electric field spread is the area of the electric field overlapping portion in the p-type cladding region. The ratio to is small compared to the prior art structure. This is because the area ratio between the electric field spreading region 31 in FIG. 3A and the overlapping region 33 in the p-type cladding region is the same as the overlapping region in the electric field spreading region 32 and the p-type cladding region in FIG. Compared with the area ratio of 34, it will be easy to understand. Due to the difference in the electric field distribution described above, in the lateral injection laser of the present invention, optical confinement in the p-cladding region, which is a buried layer, is reduced, and propagation loss can be suppressed.

したがって、本発明は、半導体基板と、前記半導体基板の上に形成された活性層と、上部クラッド層と、前記活性層の両側に埋込み層とを備えた導波路構造が形成され、前記埋込み層の一方にp型の不純物ドーピングが施され、前記埋込み層の他方にn型の不純物ドーピングが施され、前記一方の埋め込み層および前記他方の埋め込み層の間で、前記活性層に横方向に電流注入を行う構造が形成されており、電流注入によるレーザ発振を可能とする反射器を備えている半導体光素子において、前記活性層の前記横方向の幅は、前記半導体素子が発振動作をするときに、発振モードが単一導波モードとなり、前記導波モードが存在できる範囲の値であって、前記導波路構造の導波路の等価屈折率の値が、前記基板の屈折率と概ね同一であることを特徴とする半導体光素子として実現される。   Accordingly, the present invention provides a waveguide structure including a semiconductor substrate, an active layer formed on the semiconductor substrate, an upper cladding layer, and buried layers on both sides of the active layer, and the buried layer P-type impurity doping is applied to one of the first and n-type impurity dopings to the other of the buried layer, and a current flows laterally to the active layer between the one buried layer and the other buried layer. In a semiconductor optical device having a structure for performing injection and having a reflector capable of laser oscillation by current injection, the width of the active layer in the lateral direction is determined when the semiconductor device oscillates. In addition, the oscillation mode is a single waveguide mode, and is a value in a range where the waveguide mode can exist, and the value of the equivalent refractive index of the waveguide of the waveguide structure is substantially the same as the refractive index of the substrate. There is It is implemented as a semiconductor optical device characterized.

図4は、本発明の横注入レーザにおけるpクラッド領域の光閉じ込めの活性層幅依存性を示す図である。横軸に活性層の幅を、縦軸にp型クラッド領域の光閉じ込めをとっている。光閉じ込めは、導波路幅が0.6μm前後で最大となっている。p型領域での光閉じ込めは、活性層の外への光の漏れを意味しており、p型埋め込み領域8での光閉じ込めが小さいほどつまりp型埋め込み領域8への漏れが小さいほど、光損失は小さくなる。   FIG. 4 is a diagram showing the active layer width dependence of optical confinement in the p-clad region in the lateral injection laser of the present invention. The horizontal axis represents the width of the active layer, and the vertical axis represents optical confinement in the p-type cladding region. The optical confinement is maximum when the waveguide width is around 0.6 μm. The light confinement in the p-type region means light leakage to the outside of the active layer. The smaller the light confinement in the p-type buried region 8, that is, the smaller the leak into the p-type buried region 8, the more light Loss is reduced.

図5は、pクラッド領域において生じる伝搬損の活性層幅依存性を示す図である。埋め込み層であるpクラッド領域8のドーピング濃度を1×1018cm−3、2×1018cm−3、3×1018cm−3の3種類に変えた場合の、活性層幅とpクラッド領域において生じる伝搬損を示している。各曲線のピーク右側のように、活性層幅の増大に伴いコア(活性層)の強い閉じ込めの効果によって伝搬損失が低下する領域がある一方で、ピーク左側のように、活性層幅を狭くした場合においても、pクラッド領域の光閉じ込めが小さく、伝搬損失が低下する領域が存在している。図5によれば、導波路幅を、モードが存在することのできる最小の導波路幅の値に設定(本実施例の場合は0.5μm)することによって、素子の伝搬損を抑制できる効果が明らかになっている。 FIG. 5 is a diagram showing the dependence of the propagation loss generated in the p-clad region on the active layer width. Active layer width and p-clad when the doping concentration of the p-clad region 8 which is a buried layer is changed to three types of 1 × 10 18 cm −3 , 2 × 10 18 cm −3 and 3 × 10 18 cm −3 The propagation loss occurring in the region is shown. As shown on the right side of the peak of each curve, there is a region where propagation loss decreases due to the strong confinement effect of the core (active layer) as the active layer width increases, while the active layer width is narrowed as shown on the left side of the peak. Even in this case, there is a region where the optical confinement in the p-clad region is small and the propagation loss is reduced. According to FIG. 5, the effect of suppressing the propagation loss of the element by setting the waveguide width to the minimum waveguide width value at which the mode can exist (in the case of this embodiment, 0.5 μm). Has been revealed.

図6は、本発明の横注入レーザの電流―出力曲線を従来技術と比較して示した図である。活性層幅を2μmにした従来技術の横注入レーザの構成と、活性層幅を0.5μmとした本発明の横注入レーザの構成を比較した。本発明の活性層を狭くした構成では、活性層の光閉じ込めが低下しているために発振閾値電流は従来技術の構成に比べてやや高いが、同じ電流値では、光出力レベルは本発明の横注入レーザの方が大きい。図6からも、本発明の活性層(導波路)の幅を狭くした構成の横注入レーザは、伝搬損の低減および内部量子効率の増大により外部量子効率が増大し、光出力の高出力化のために非常に有用なものであることは明らかである。   FIG. 6 is a diagram showing a current-output curve of the lateral injection laser of the present invention in comparison with the prior art. The configuration of a conventional lateral injection laser having an active layer width of 2 μm and the configuration of a lateral injection laser of the present invention having an active layer width of 0.5 μm were compared. In the configuration in which the active layer of the present invention is narrowed, the optical confinement of the active layer is lowered, so the oscillation threshold current is slightly higher than in the configuration of the prior art, but at the same current value, the optical output level is The lateral injection laser is larger. From FIG. 6 as well, the lateral injection laser having a narrow active layer (waveguide) width according to the present invention has an increased external quantum efficiency due to a reduction in propagation loss and an increase in internal quantum efficiency, thereby increasing the optical output. It is clear that it is very useful for.

上述の実施例においては、活性層にInGaAsP材料を用いたが、InAlGaAs材料など、その他の光半導体材料系が適用可能であることは言うまでもない。他の光半導体材料を用いた場合には、上述の実施例における、最小の活性層の幅は当然に、0.5μmとは異なってくる。また、基板の材料やドーピングのパラメータなどによっても最小の活性層の幅は変化する。しかし、基本モードの等価屈折率がほぼ基板材料の屈折率と同じであって、0次モードが存在することのできる最小の導波路幅の値とすることには変わりはない。次に、本発明の幅の狭い活性層の構造を持つ横注入レーザにおいて、異なるコア材料を用い、より一般化して狭い導波路幅を持つ効果および好ましい導波路幅の範囲を説明する別の構成例を説明する。   In the above embodiment, the InGaAsP material is used for the active layer, but it goes without saying that other optical semiconductor material systems such as InAlGaAs material can be applied. When other optical semiconductor materials are used, the width of the minimum active layer in the above-described embodiment is naturally different from 0.5 μm. The minimum active layer width also varies depending on the substrate material and doping parameters. However, the equivalent refractive index of the fundamental mode is almost the same as the refractive index of the substrate material, and there is no change in setting the minimum waveguide width value at which the zero-order mode can exist. Next, in the lateral injection laser having the structure of the narrow active layer according to the present invention, another configuration for explaining the effect of using a different core material and having a narrow waveguide width more generally and the preferable waveguide width range is used. An example will be described.

図10は、本発明の半導体光素子を横注入レーザに適用した別の導波路の構造を示す図である。導波路幅の効果を説明するために、図1の構成と比べて、導波路構造51は、下部・上部SCH層をコア層に含めて単純化した構成を考える。すなわち、コア層54は発光波長1.55μmのInGaAsPまたはInGaAlAs材料からなる活性層および上下のSCH層から成る。埋め込みInP層57、58、コンタクト層59a、59b、電極60a、60bは、図1の構成と同様である。   FIG. 10 is a diagram showing another waveguide structure in which the semiconductor optical device of the present invention is applied to a lateral injection laser. In order to explain the effect of the waveguide width, the structure of the waveguide structure 51 is simplified by including the lower and upper SCH layers in the core layer as compared with the structure of FIG. That is, the core layer 54 is composed of an active layer made of InGaAsP or InGaAlAs material having an emission wavelength of 1.55 μm and upper and lower SCH layers. The buried InP layers 57 and 58, the contact layers 59a and 59b, and the electrodes 60a and 60b are the same as those in FIG.

図10では、コア層54に含まれている活性層およびSCH層の区別を描いておらず、活性層およびSCH層を含むコア層54として単純化して示している。コア層54内の活性層は、バルク層でも良いし量子井戸活性層でも良い。以降で説明する活性層幅の効果の検討は、活性層およびSCH層を含むコア層54全体の厚さ(高さ)に基づいている。このとき、特定のコア層54の厚さ(高さ)の場合について、異なる上部InPクラッド層53の厚さ毎に、最適な活性層(コア層)幅を検討した。   In FIG. 10, the active layer and the SCH layer included in the core layer 54 are not distinguished from each other, and are simply shown as the core layer 54 including the active layer and the SCH layer. The active layer in the core layer 54 may be a bulk layer or a quantum well active layer. The examination of the effect of the active layer width described below is based on the thickness (height) of the entire core layer 54 including the active layer and the SCH layer. At this time, in the case of the thickness (height) of the specific core layer 54, the optimum active layer (core layer) width was examined for each different thickness of the upper InP cladding layer 53.

図11は、コア層の高さが250nmの素子について、上部クラッドInP層の厚さを50、150、250nmとした各場合の、pクラッド層の光閉じ込めおよび実効屈折率と基板の屈折率の比率の活性層幅依存性を示す図である。図11の上側のグラフはpクラッド層の光閉じ込めの活性層幅依存性を示し、下側のグラフは、実効屈折率neqと基板の屈折率nInPの比率neq/nInP(パーセント表示)の活性層幅依存性を示した。本発明の有効な活性層幅を矢印a、矢印bおよび矢印cによって示した。上部InP層53の厚さが150nmの場合(H_InP 150)、活性層(コア層)幅をおおよそ0.7μmより狭くすると光閉じ込めが下がり始め、吸収損失を抑制できる。実効屈折率neqが基板の屈折率nInPと同じとなる場合が、伝搬モードが存在する最小幅であり、この場合は活性層幅0.6μmが最小幅である。従って、幅0.6μmから0.7μmの幅の範囲(矢印a)で本発明の幅の狭い活性層の構造による効果が有効であることがわかる。 FIG. 11 shows the optical confinement and effective refractive index of the p-cladding layer and the refractive index of the substrate when the thickness of the upper clad InP layer is 50, 150, and 250 nm for an element having a core layer height of 250 nm. It is a figure which shows the active layer width dependence of a ratio. The upper graph of FIG. 11 shows the active layer width dependence of the optical confinement of the p-clad layer, and the lower graph shows the ratio n eq / n InP (percentage display) of the effective refractive index n eq and the refractive index n InP of the substrate. ) Showed an active layer width dependency. The effective active layer width of the present invention is indicated by arrows a, b and c. When the thickness of the upper InP layer 53 is 150 nm (H_InP 150), if the width of the active layer (core layer) is narrower than about 0.7 μm, optical confinement starts to decrease, and absorption loss can be suppressed. The case where the effective refractive index n eq is the same as the refractive index n InP of the substrate is the minimum width in which the propagation mode exists, and in this case, the active layer width of 0.6 μm is the minimum width. Therefore, it can be seen that the effect of the structure of the narrow active layer according to the present invention is effective in the range of the width of 0.6 μm to 0.7 μm (arrow a).

同様に、上部InP層の厚さが100nmの場合(H_InP 100)、0.75μmから0.82μmの範囲(矢印b)が有効である。さらに上部InP層の厚さが50nmの場合(H_InP 50)は、損失の観点からは1μmから1.1μmの範囲(矢印c)で効果があるが、電流分布の均一性も考慮して最小幅の1μmとするのが良い。実効屈折率と基板の屈折率との比は、上部InP層53の厚さがいずれの場合も、おおよそ100%から100.1%の範囲である。   Similarly, when the thickness of the upper InP layer is 100 nm (H_InP 100), the range from 0.75 μm to 0.82 μm (arrow b) is effective. Further, when the thickness of the upper InP layer is 50 nm (H_InP 50), it is effective in the range of 1 μm to 1.1 μm (arrow c) from the viewpoint of loss, but the minimum width considering the uniformity of the current distribution 1 μm is preferable. The ratio between the effective refractive index and the refractive index of the substrate is in the range of approximately 100% to 100.1% regardless of the thickness of the upper InP layer 53.

図12は、コア層の高さが350nmの素子について、上部クラッドInP層の厚さを50、150、250nmとした各場合の、pクラッド層の光閉じ込めおよび実効屈折率と基板の屈折率の比率の活性層幅依存性を示す図である。上部InP層53の厚さが150nmの場合(H_InP 150)、矢印aで示した導波路幅で本発明の幅の狭い活性層の構造の効果が有効であることがわかる。同様に、上部InP層の厚さが100nmの場合(H_InP 100)を矢印bで、上部InP層の厚さが50nmの場合(H_InP 50)を矢印cで示す。コア層の高さが350nmの素子の場合、実効屈折率と基板の屈折率との比がおおよそ100%から100.3%の範囲の場合に有効である。   FIG. 12 shows the optical confinement and effective refractive index of the p-clad layer and the refractive index of the substrate when the thickness of the upper clad InP layer is 50, 150, and 250 nm for an element having a core layer height of 350 nm. It is a figure which shows the active layer width dependence of a ratio. When the thickness of the upper InP layer 53 is 150 nm (H_InP 150), it can be seen that the effect of the structure of the narrow active layer of the present invention is effective at the waveguide width indicated by the arrow a. Similarly, when the thickness of the upper InP layer is 100 nm (H_InP 100), the arrow b indicates the case where the thickness of the upper InP layer is 50 nm (H_InP 50). In the case of an element having a core layer height of 350 nm, it is effective when the ratio of the effective refractive index to the refractive index of the substrate is in the range of approximately 100% to 100.3%.

図13は、コア層の高さが450nmの素子について、上部クラッドInP層の厚さを50、150、250nmとした各場合の、pクラッド層の光閉じ込めおよび実効屈折率と基板の屈折率の比率の活性層幅依存性を示す図である。コア層の高さが450nmの素子の場合、実効屈折率と基板の屈折率との比が、おおよそ100%から100.3%の範囲の場合に有効である。したがって、本発明においては、コア層の等価屈折率は、基板の屈折率の100%から100.3%の範囲にあるのが好ましい。   FIG. 13 shows the optical confinement and effective refractive index of the p-clad layer and the refractive index of the substrate when the thickness of the upper clad InP layer is 50, 150, and 250 nm for an element having a core layer height of 450 nm. It is a figure which shows the active layer width dependence of a ratio. In the case of an element having a core layer height of 450 nm, it is effective when the ratio of the effective refractive index to the refractive index of the substrate is in the range of approximately 100% to 100.3%. Therefore, in the present invention, the equivalent refractive index of the core layer is preferably in the range of 100% to 100.3% of the refractive index of the substrate.

上述の各実施例では、活性層の上方に形成された回折格子によって発振動作を実現する分布帰還型半導体レーザの例で説明をしたが、ファブリペローレーザや分布ブラッグ反射型レーザ等の他の形態の発振器においても、適用可能である。回折格子の形状については、上部のInPをエッチングしてInPおよび空気の層により得られる構成としたが、上部にSiNやSiO等の保護膜を形成してInPおよび保護膜からなる回折格子を形成しても良い。また、InPの上にSiNやSiOの回折格子を形成しても同様の効果が得られる。 In each of the above-described embodiments, the example of the distributed feedback semiconductor laser that realizes the oscillation operation by the diffraction grating formed above the active layer has been described. However, other forms such as a Fabry-Perot laser and a distributed Bragg reflection laser are described. The present invention can also be applied to other oscillators. Regarding the shape of the diffraction grating, the upper InP was etched to obtain an InP and air layer, but a protective film such as SiN or SiO 2 was formed on the upper part to form a diffraction grating made of InP and a protective film. It may be formed. The same effect can be obtained by forming a diffraction grating of SiN or SiO 2 on InP.

また、上述の実施例においては半導体レーザに適用したが、導波路構造における光損失低減の効果が得られることから、活性層に逆バイアスを印加することで電界吸収変調器を実現しても、電界吸収特性などにおいて、同様の特性の向上が得られることは明らかである。   In the above-described embodiment, the present invention is applied to a semiconductor laser, but since an effect of reducing optical loss in the waveguide structure can be obtained, even if an electroabsorption modulator is realized by applying a reverse bias to the active layer, It is clear that the same characteristics can be improved in the electro-absorption characteristics.

以上詳細に説明したように、本発明の半導体光素子によって、より高い光出力レベルを実現可能な横注入レーザを提供することができる。   As described above in detail, the semiconductor optical device of the present invention can provide a lateral injection laser capable of realizing a higher light output level.

本発明は、一般的に通信システムに利用することができる。特に、光通信システムの光送信器に利用することができる。   The present invention is generally applicable to communication systems. In particular, it can be used for an optical transmitter of an optical communication system.

1、51、100 導波路構造
2、52、102 基板
3、103 下部SCH層
4、104 活性層
5、105 上部SCH層
6、53、106 InP層
7、8、57、58、107、108 埋め込みInP層
9a、9b、59a、59b、109a、109b コンタクト層
10a、10b、60a、60b、110a、110b 電極
11 回折格子
31、32 電界分布
54 コア層
1, 51, 100 Waveguide structure 2, 52, 102 Substrate 3, 103 Lower SCH layer 4, 104 Active layer 5, 105 Upper SCH layer 6, 53, 106 InP layer 7, 8, 57, 58, 107, 108 Embedding InP layer
9a, 9b, 59a, 59b, 109a, 109b Contact layer 10a, 10b, 60a, 60b, 110a, 110b Electrode 11 Diffraction grating 31, 32 Electric field distribution 54 Core layer

Claims (6)

半導体基板と、前記半導体基板の上に形成された活性層と、上部クラッド層と、前記活性層の両側に埋込み層とを備えた導波路構造が形成され、
前記埋込み層の一方にp型の不純物ドーピングが施され、前記埋込み層の他方にn型の不純物ドーピングが施され、前記一方の埋め込み層および前記他方の埋め込み層の間で、前記活性層に横方向に電流注入を行う構造が形成されており、電流注入によるレーザ発振を可能とする反射器を備えている半導体光素子において、
前記活性層の前記横方向の幅は、前記半導体素子が発振動作をするときに、発振モードが単一導波モードとなり、前記導波モードが存在できる範囲の値であって、前記導波路構造の導波路の等価屈折率の値が、前記基板の屈折率と概ね同一であること
を特徴とする半導体光素子。
A waveguide structure comprising a semiconductor substrate, an active layer formed on the semiconductor substrate, an upper cladding layer, and buried layers on both sides of the active layer is formed,
One of the buried layers is doped with p-type impurities, the other of the buried layers is doped with n-type impurities, and the active layer is laterally disposed between the one buried layer and the other buried layer. In a semiconductor optical device having a reflector that enables laser oscillation by current injection, in which a structure for current injection in the direction is formed,
The lateral width of the active layer is a value within a range in which the oscillation mode becomes a single waveguide mode and the waveguide mode can exist when the semiconductor element oscillates, and the waveguide structure The value of the equivalent refractive index of the waveguide is substantially the same as the refractive index of the substrate.
前記上部クラッド層の厚さが1μmよりも薄いことを特徴とする請求項1に記載の半導体光素子。   2. The semiconductor optical device according to claim 1, wherein a thickness of the upper clad layer is thinner than 1 [mu] m. 前記反射器は、前記活性層の上方に形成された表面回折格子である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。   The semiconductor optical device according to claim 1, wherein the reflector is a surface diffraction grating formed above the active layer. 前記等価屈折率は、前記基板の屈折率の100%から100.3%の範囲にあることを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載の半導体光素子。   4. The semiconductor optical device according to claim 1, wherein the equivalent refractive index is in the range of 100% to 100.3% of the refractive index of the substrate. 前記半導体基板は、半絶縁性InP基板であって、前記上部クラッド層および前記埋込み層はInPで構成され、前記活性層はInGaAsPまたはInGaAlAsで構成されることを特徴とする請求項1乃至4いずれかに記載の半導体光素子。   5. The semiconductor substrate according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is a semi-insulating InP substrate, the upper cladding layer and the buried layer are made of InP, and the active layer is made of InGaAsP or InGaAlAs. A semiconductor optical device according to claim 1. 請求項1乃至5に記載の半導体光素子における導波路構造を有することを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。   6. A distributed feedback semiconductor laser having a waveguide structure in the semiconductor optical device according to claim 1.
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