[go: up one dir, main page]

WO2025037387A1 - 半導体レーザ - Google Patents

半導体レーザ Download PDF

Info

Publication number
WO2025037387A1
WO2025037387A1 PCT/JP2023/029527 JP2023029527W WO2025037387A1 WO 2025037387 A1 WO2025037387 A1 WO 2025037387A1 JP 2023029527 W JP2023029527 W JP 2023029527W WO 2025037387 A1 WO2025037387 A1 WO 2025037387A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
active layer
diffraction grating
layer
semiconductor laser
width
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/029527
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
浩司 武田
徹 瀬川
慎治 松尾
拓郎 藤井
圭穂 前田
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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 日本電信電話株式会社 filed Critical 日本電信電話株式会社
Priority to PCT/JP2023/029527 priority Critical patent/WO2025037387A1/ja
Publication of WO2025037387A1 publication Critical patent/WO2025037387A1/ja

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
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H01S5/125—Distributed Bragg reflector [DBR] lasers

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 Non-Patent Documents 1 and 2.
  • a periodic change in the refractive index is obtained by forming periodic irregularities in the optical confinement (separate confined heterostructure: SCH) layer adjacent to the active layer.
  • periodic irregularities are formed in the upper InP cladding layer or the SiN layer formed on top of it.
  • the strength of the optical resonance (coupling coefficient) caused by the diffraction grating is determined by the degree of change in the refractive index, which can be changed by the depth of the recesses.
  • the depth of all recesses is substantially the same. For this reason, the depth of the recesses, which determines the coupling coefficient, cannot be set arbitrarily for each element at different locations on the wafer in a single etching process. In order to arbitrarily set the depth of the recesses for each element formed at different locations on the wafer, multiple etching processes must be performed, with each process changing the area to be etched. Thus, there was a problem in that it was not easy to form a diffraction grating by changing the coupling coefficient for each element formed at different locations on the wafer.
  • the present invention was made to solve the above problems, and aims to make it easier to change the coupling coefficient for each element formed at a different location on the wafer, thereby forming a diffraction grating.
  • the semiconductor laser according to the present invention comprises a first cladding layer formed on a substrate, an active layer formed on the first cladding layer in a core shape extending in the waveguiding direction, a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer formed in contact with the active layer on either side of the active layer, a second cladding layer formed on the active layer, a p-electrode and an n-electrode connected to the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, and a resonator consisting of a diffraction grating formed on the active layer, and an area where the diffraction grating is not formed is provided in the width direction perpendicular to the waveguiding direction of the active layer.
  • an area where no diffraction grating is formed is provided in the width direction perpendicular to the waveguiding direction of the active layer, so that the coupling coefficient can be changed more easily to form a diffraction grating for each element formed at a different location within the wafer.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a plan view showing a partial configuration of the semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining parameters used in calculating the coupling coefficient when the unformed region 111 is provided.
  • FIG. 3A is a characteristic diagram showing the relationship between the width of the unformed region and the coupling coefficient when the groove depth D of each groove constituting the diffraction grating 110 is set to 20 nm, 30 nm, 40 nm, and 50 nm.
  • FIG. 3B is a characteristic diagram showing the result of normalizing the relationship shown in FIG.
  • FIG. 3A is a characteristic diagram showing the calculation results of the coupling coefficient and the equivalent refractive index as a waveguide with respect to the positional deviation E when the width of the unformed region is 0.2 ⁇ m and the groove depth D is 30 nm.
  • FIG. 4 is a plan view showing a partial configuration of another semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view showing a partial configuration of another semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a plan view showing a partial configuration of another semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view showing a partial configuration of another semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view showing a partial configuration of another semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a plan view showing a partial configuration of another semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7B is a plan view showing a partial configuration of a semiconductor laser according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a plan view showing a partial configuration of another semiconductor laser according to the second embodiment of the present invention.
  • This semiconductor laser is a distributed feedback (DFB) laser that includes an active layer 103 formed in a core shape extending in the waveguiding direction on a substrate 101, and includes a diffraction grating 110 in a resonator.
  • DFB distributed feedback
  • This semiconductor laser first has a first cladding layer 102 formed on a substrate 101, and an active layer 103 on the first cladding layer 102.
  • the substrate 101 is made of, for example, Si
  • the first cladding layer 102 is made of, for example, silicon oxide. It also has a p-type semiconductor layer 104 and an n-type semiconductor layer 105 formed in contact with the active layer 103, sandwiching the active layer 103. It also has a second cladding layer 106 formed on the active layer 103, and a p-electrode 107 and an n-electrode 108 connected to the p-type semiconductor layer 104 and the n-type semiconductor layer 105.
  • the p-type semiconductor layer 104 and the n-type semiconductor layer 105 are formed by introducing impurities into a semiconductor layer 109 made of, for example, InP.
  • the active layer 103 is formed between the p-type semiconductor layer 104 and the n-type semiconductor layer 105 and is embedded in the semiconductor layer 109.
  • the active layer 103 can have a quantum well structure in which well layers and barrier layers made of, for example, InGaAsP are alternately stacked.
  • the diffraction grating 110 is configured by arranging (forming) grooves (slits) extending in the width direction perpendicular to the waveguiding direction at multiple locations.
  • the grooves arranged at multiple locations are arranged at a predetermined interval in the waveguiding direction to form a lattice shape.
  • the diffraction grating 110 is configured from recesses and protrusions adjacent to the recesses.
  • the diffraction grating 110 can be formed at the interface between the semiconductor layer 109 and the second cladding layer 106.
  • the diffraction grating 110 can be configured by grooves formed at multiple locations arranged at a predetermined interval in the waveguiding direction on the upper surface of the semiconductor layer 109 above the active layer 103. Each of the multiple grooves that constitute the diffraction grating 110 formed on the upper surface of the semiconductor layer 109 is filled with the second cladding layer 106.
  • this semiconductor laser has an unformed region 111 in which the diffraction grating 110 is not formed, in the width direction perpendicular to the waveguide direction of the active layer 103.
  • the unformed region 111 is disposed in the center of the active layer 103 in the width direction.
  • the coupling coefficient can be changed by changing the width of the unformed region 111 perpendicular to the waveguiding direction. Therefore, by changing the width of the unformed region 111 for each element formed at a different location within the wafer, the coupling coefficient can be changed for each element. In this way, according to the first embodiment, it becomes possible to form a diffraction grating by more easily changing the coupling coefficient for each element formed at a different location within the wafer.
  • the coupling coefficient of the diffraction grating was calculated using the film mode matching (FMM) method.
  • Figure 3A shows the relationship between the unformed region width and the coupling coefficient when the groove depth D is 20 nm, 30 nm, 40 nm, and 50 nm. Although there is some calculation error, it was found that the coupling coefficient decreases roughly linearly as the unformed region width increases. In order to visualize the rate of decrease, the results are normalized by the value when the unformed region width is set to 0 (conventional structure), and are shown in Figure 3B. Within this calculation range, the coupling coefficient changes at a constant rate regardless of the groove depth D, and the coupling coefficient can be reduced to approximately 50% at an unformed region width of approximately 0.44 ⁇ m.
  • Figure 3C shows the calculation results of the positional misalignment E, the coupling coefficient, and the equivalent refractive index as a waveguide when the width of the unformed region is 0.2 ⁇ m and the groove depth D is 30 nm.
  • Diffraction grating patterns are formed using electron beam lithography, which can generally be drawn with a positional accuracy of about 0.05 to 0.1 ⁇ m. Even if the positional accuracy is 0.1 ⁇ m, it can be seen that the amount of change that the positional misalignment E causes to the coupling coefficient is negligible.
  • the equivalent refractive index of the optical waveguide with the active layer 103 as its core changes slightly, but the rate of change at a positional accuracy of 0.1 ⁇ m is about 0.01%.
  • the width of the unformed region 111 can be changed at different positions in the waveguiding direction.
  • the width of the unformed region 111 in the center of the active layer 103 in the waveguiding direction is wider than the width of the unformed region 111 at both ends in the waveguiding direction. Therefore, the coupling coefficient of the diffraction grating 110a in the center of the active layer 103 in the waveguiding direction is lower than the coupling coefficient at both ends in the waveguiding direction. In this way, by using a diffraction grating 110a whose coupling coefficient is lower in part of the waveguiding direction, it can be operated as a DFB laser with a gradual phase shift.
  • the diffraction grating 110b can be configured to have a connection region 112 that connects each groove in the p-type semiconductor layer 104 and n-type semiconductor layer 105 regions. If each groove is separated and has a periodically changing lattice shape in the region of the optical waveguide mode centered on the active layer 103, it functions as a diffraction grating.
  • the connection region can also be configured to extend into the upper part of the active layer 103.
  • planar shape of the portion of each groove constituting the diffraction grating 110b facing the center of the active layer 103 is not limited to a partial rectangle.
  • the planar shape of the portion of each groove constituting the diffraction grating 110b facing the center of the active layer 103 can be a semicircle.
  • the planar shape of the portion of each groove constituting the diffraction grating 110b facing the center of the active layer 103 can be a triangle.
  • planar shape of the portion of each groove constituting the diffraction grating 110b facing the center of the active layer 103 can also be a waveform.
  • This semiconductor laser is a DFB (Distributed Feedback) laser that includes an active layer 103 formed in a core shape extending in the waveguiding direction on a substrate 101, and includes a diffraction grating 110' in a resonator.
  • DFB Distributed Feedback
  • This semiconductor laser like the first embodiment described above, has a first cladding layer 102 formed on a substrate 101, and an active layer 103 on the first cladding layer 102.
  • the substrate 101 is made of, for example, Si
  • the first cladding layer 102 is made of, for example, silicon oxide. It also has a p-type semiconductor layer 104 and an n-type semiconductor layer 105 formed in contact with the active layer 103, sandwiching the active layer 103. It also has a second cladding layer 106 formed on the active layer 103, and a p-electrode 107 and an n-electrode 108 connected to the p-type semiconductor layer 104 and the n-type semiconductor layer 105.
  • the p-type semiconductor layer 104 and the n-type semiconductor layer 105 are formed by introducing impurities into a semiconductor layer 109 made of, for example, InP.
  • the active layer 103 is formed between the p-type semiconductor layer 104 and the n-type semiconductor layer 105 and is embedded in the semiconductor layer 109.
  • this semiconductor laser has an unformed region 111' where the diffraction grating 110' is not formed in the width direction perpendicular to the waveguiding direction of the active layer 103.
  • the diffraction grating 110 is disposed in the center of the active layer 103 in the width direction, and the unformed regions 111' are disposed on both sides of the diffraction grating 110 so as to sandwich the diffraction grating 110.
  • the unformed region 111' by providing the unformed region 111', the overlap between the waveguiding mode of the light guided with the active layer 103 as the core and the diffraction grating 110' is reduced (reduced), so that the coupling coefficient can be reduced.
  • the coupling coefficient can be changed by changing the width of the unformed region 111' perpendicular to the waveguiding direction. Therefore, by changing the width of the unformed region 111' for each element formed at a different location within the wafer, the coupling coefficient can be changed for each element. In this way, even in the second embodiment, it becomes possible to form a diffraction grating by more easily changing the coupling coefficient for each element formed at a different location within the wafer.
  • the width of the unformed region 111'a can be changed at different positions in the waveguiding direction.
  • the width of the diffraction grating 110'a changes at different positions in the waveguiding direction.
  • the width of the unformed region 111'a in the region above the active layer 103, as the position is displaced from one side to the other in the waveguiding direction, the width of the unformed region 111'a gradually increases and decreases.
  • the width of the unformed region 111'a in the center of the active layer 103 in the waveguiding direction is wider than the width of the unformed region 111'a at both ends in the waveguiding direction. Therefore, the width of the diffraction grating 110'a at both ends in the waveguiding direction is wider than the width of the diffraction grating 110'a in the center in the waveguiding direction.
  • the coupling coefficient of the diffraction grating 110'a in the center of the active layer 103 in the waveguide direction is lower than the coupling coefficient at both ends in the waveguide direction.
  • a diffraction grating 110'a whose coupling coefficient is lower in part of the waveguide direction it is possible to operate it as a DFB laser with a gradual phase shift.
  • each groove that makes up the diffraction grating in a plan view is rectangular, but this is not limited to this.
  • the shape of each groove that makes up the diffraction grating in a plan view can also be a rectangle with rounded vertices.
  • an area where no diffraction grating is formed is provided in the width direction perpendicular to the waveguiding direction of the active layer, so that it is easier to change the coupling coefficient and form a diffraction grating for each element formed at a different location within the wafer.
  • 101 substrate, 102: first cladding layer, 103: active layer, 104: p-type semiconductor layer, 105: n-type semiconductor layer, 106: second cladding layer, 107: p-electrode, 108: n-electrode, 109: semiconductor layer, 110: diffraction grating, 111: unformed region.

Landscapes

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

Abstract

この半導体レーザは、基板（１０１）の上に、導波方向に延在するコア形状に形成された活性層（１０３）を備え、共振器内に回折格子（１１０）を備えるＤＦＢレーザであり、活性層（１０３）の導波方向に垂直な幅方向に、回折格子（１１０）が形成されていない未形成領域（１１１）を備える。未形成領域（１１１）は、活性層（１０３）の幅方向における中央部に配置されている。未形成領域（１１１）を設けることで、活性層（１０３）をコアとして導波する光の導波モードと回折格子（１１０）との重なりが低下（減少）するため、結合係数を下げることができる。

Description

半導体レーザ
　本発明は、半導体レーザに関する。
　近年のシリコンフォトニクス技術と異種材料集積技術の進展により、例えば、ＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板を用いたシリコンフォトニクス上への半導体レーザ集積技術が多く研究されている。シリコンフォトニクスの最も多くの用途は光通信であり、同用途の光源としての半導体レーザには、通信路における分散の影響を抑制するために、単一縦モードで発振することが求められる。単一縦モードで発振する半導体レーザを実現するためには、一般に光軸方向に周期的な屈折率変調構造である回折格子が用いられている（特許文献１，２、非特許文献１，２）。
特開２０１８－００６４４０号公報 特開２０１９－２０４８１４号公報
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. Aihara et al., "Membrane III-V/Si DFB Laser Using Uniform Grating and Width-Modulated Si Waveguide", Journal of Lightwave Technology, vol. 38, no. 11, pp. 2961-2967, 2020.
　単一縦モード半導体レーザを作製するためには、周期的な屈折率変化を得るために、活性層に隣接する光閉じ込め（Separated confined heterostructure：ＳＣＨ）層に周期的な凹凸を形成することで実現されている。また、従来技術におけるＳｉ上に集積された薄膜型ＩＩＩ－Ｖレーザにいては、上部ＩｎＰクラッド層、あるいはその上に設けられたＳｉＮ層に周期的な凹凸を形成している。回折格子による光共振の強さ（結合係数）は屈折率の変化度で決定され、屈折率の変化度は凹部の深さによって変えることができる。
　しかしながら、凹部を形成するためのエッチング処理は、ウエハ全面に対して実施されるため、全ての凹部の深さが実質的に同一となる。このため、１回のエッチング処理では、結合係数を決定する凹部の深さを、ウエハ内で異なる箇所の素子毎に任意に設定することができない。ウエハ内で異なる箇所に形成される素子毎に、凹部の深さを任意に設定するためには、エッチングする領域を各々変更する複数回のエッチング処理を実施することになる。このように、ウエハ内で異なる箇所に形成される素子毎に、結合係数を変更して回折格子を形成することが容易ではないという問題があった。
　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、ウエハ内で異なる箇所に形成される素子毎に、より容易に結合係数を変更して回折格子が形成できるようにすることを目的とする。
　本発明に係る半導体レーザは、基板の上に形成された第１クラッド層と、第１クラッド層の上に、導波方向に延在するコア形状に形成された活性層と、活性層を挾んで活性層に接して形成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、活性層の上に形成された第２クラッド層と、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層に接続するｐ電極およびｎ電極と、活性層の上に形成された回折格子からなる共振器とを備え、活性層の導波方向に垂直な幅方向に回折格子の未形成領域が設けられている。
　以上説明したように、本発明によれば、活性層の導波方向に垂直な幅方向に回折格子の未形成領域を設けたので、ウエハ内で異なる箇所に形成される素子毎に、より容易に結合係数を変更して回折格子が形成できる。
図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの構成を示す断面図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの一部構成を示す平面図である。 図２は、未形成領域１１１を設けることによる結合係数の計算に用いたパラメータについ説明する説明図である。 図３Ａは、回折格子１１０を構成する各々の溝の溝深さＤを２０ｎｍ，３０ｎｍ，４０ｎｍ，５０ｎｍとした場合における、未形成領域幅と結合係数との関係を示す特性図である。 図３Ｂは、図３Ａに示す関係を、未形成領域幅を０とした場合における値で規格化した結果を示す特性図である。 図３Ｃは、未形成領域幅０．２μｍ、溝深さＤさ３０ｎｍとした場合における位置ずれＥと、結合係数および導波路としての等価屈折率の計算結果を示す特性図である。 図４は、本発明の実施の形態１に係る他の半導体レーザの一部構成を示す平面図である。 図５は、本発明の実施の形態１に係る他の半導体レーザの一部構成を示す平面図である。 図６は、本発明の実施の形態１に係る他の半導体レーザの一部構成を示す平面図である。 図７Ａは、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザの構成を示す断面図である。 図７Ｂは、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザの一部構成を示す平面図である。 図８は、本発明の実施の形態２に係る他の半導体レーザの一部構成を示す平面図である。
　以下、本発明の実施の形態に係る半導体レーザについて説明する。
［実施の形態１］
　はじめに、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザについて図１Ａ、図１Ｂを参照して説明する。この半導体レーザは、基板１０１の上に、導波方向に延在するコア形状に形成された活性層１０３を備え、共振器内に回折格子１１０を備える分布帰還(Distributed feedback：ＤＦＢ）レーザである。
　この半導体レーザは、まず、基板１０１の上に第１クラッド層１０２が形成され、第１クラッド層１０２の上に、活性層１０３を備える。基板１０１は、例えば、Ｓｉから構成され、第１クラッド層１０２は、例えば、酸化シリコンから構成されている。また、活性層１０３を挾んで活性層１０３に接して形成されたｐ型半導体層１０４およびｎ型半導体層１０５を備える。また、活性層１０３の上に形成された第２クラッド層１０６と、ｐ型半導体層１０４およびｎ型半導体層１０５に接続するｐ電極１０７およびｎ電極１０８とを備える。
　この例では、ｐ型半導体層１０４およびｎ型半導体層１０５は、例えば、ＩｎＰからなる半導体層１０９に不純物を導入することで形成されている。また、ｐ型半導体層１０４とｎ型半導体層１０５との間において、活性層１０３は、半導体層１０９に埋め込まれて形成されている。活性層１０３は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰからなる井戸層とバリア層とが交互に積層された量子井戸構造とすることができる。
　ここで、回折格子１１０は、導波方向に垂直な幅方向に延在する溝（スリット）を、複数の箇所に配置（形成）することで構成されたものである。複数の箇所に配置された各々の溝は、導波方向に所定の間隔で配列されて格子状とされている。溝の配列方向の断面を見ると、回折格子１１０は、凹部および凹部に隣接する凸部とから構成されたものとなる。例えば、回折格子１１０は、半導体層１０９と第２クラッド層１０６との界面に形成することができる。この場合、活性層１０３の上方にあたる半導体層１０９の上面の、導波方向に所定の間隔で配列される複数の箇所の各々に形成された溝により、回折格子１１０を構成することができる。半導体層１０９の上面に形成された回折格子１１０を構成する複数の箇所の溝の各々は、第２クラッド層１０６により埋め込まれる。
　上述した構成に加え、この半導体レーザは、活性層１０３の導波方向に垂直な幅方向に、回折格子１１０が形成されていない未形成領域１１１を備える。実施の形態１において、未形成領域１１１は、活性層１０３の幅方向における中央部に配置されている。未形成領域１１１を設けることで、活性層１０３をコアとして導波する光の導波モードと回折格子１１０との重なりが低下（減少）するため、結合係数を下げることができる。
　未形成領域１１１の、導波方向に垂直な幅を変えることで、結合係数を変化させることができる。従って、ウエハ内で異なる箇所に形成される素子毎に未形成領域１１１の幅を変えることで、素子毎に結合係数を変更することができる。このように、実施の形態１によれば、ウエハ内で異なる箇所に形成される素子毎に、より容易に結合係数を変更して回折格子が形成できるようになる。
　以下、未形成領域１１１を設けることによる結合係数の低下の効果について説明する。以下では、図２に示すパラメータを用いて結合係数を計算した結果について説明する。この計算では、未形成領域１１１の幅（未形成領域幅）、導波方向に垂直な幅方向における、活性層１０３の中心位置と未形成領域１１１の中心位置との位置ずれＥ、回折格子１１０を構成する各々の溝の深さＤを用いた。
　回折格子の結合係数の計算は、フィルムモードマッチング（Film mode matching；ＦＭＭ）法によって行った。
　図３Ａは、溝深さＤを２０ｎｍ，３０ｎｍ，４０ｎｍ，５０ｎｍとした場合における、未形成領域幅と結合係数との関係を示している。若干の計算誤差が含まれているが、おおよそ未形成領域幅の増加に応じて線形に結合係数が低下することが分かった。低下率として可視化するために、未形成領域幅を０とした場合（従来構造）における値で規格化した結果を図３Ｂに示す。この計算の範囲では、溝深さＤさによらず一定の割合で結合係数が変化しており、およそ未形成領域幅０．４４μｍにおいて、結合係数を約５０％まで低下させることができている。
　図３Ｃは、未形成領域幅０．２μｍ、溝深さＤさ３０ｎｍとした場合における位置ずれＥと、結合係数および導波路としての等価屈折率の計算結果を示す。回折格子のパタン形成には、電子線リソグラフィなどが用いられるが、一般に０．０５～０．１μｍ程度の位置精度で描画することができる。仮に０．１μｍの位置精度だとしても、位置ずれＥが結合係数に与える変化量はごくわずかであることが分かる。また、活性層１０３をコアとする光導波路の等価屈折率は若干変化するが、０．１μｍの位置精度における変化率は０．０１％程度である。
　ところで、図４に示すように、未形成領域１１１の幅を、導波方向に異なる位置で変化させることができる。図４に示す例では、活性層１０３の上の領域において、導波方向の一方の側から他方の側に位置が変位するにつれ、未形成領域１１１の幅が徐々に広がり、また、徐々に狭くなっている。この例では、活性層１０３の導波方向中央部における未形成領域１１１の幅が、導波方向両端部における未形成領域１１１の幅より広くなっている。従って、活性層１０３の導波方向中央部における回折格子１１０ａの結合係数は、導波方向両端部における結合係数より低下している。このように、導波方向の一部で結合係数が低下している回折格子１１０ａを用いることで、緩やかな位相シフトをもつＤＦＢレーザとして動作させることができる。
　また、図５に示すように、回折格子１１０ｂの各々の溝を、ｐ型半導体層１０４、ｎ型半導体層１０５の領域で連結する連結領域１１２を備える構成とすることができる。活性層１０３を中心とした光の導波モードの領域において、各々の溝が分離して周期的に変化する格子状とされていれば、回折格子として機能する。連結領域は、活性層１０３の上部に入り込む状態とすることもできる。
　また、回折格子１１０ｂを構成する各々の溝の、活性層１０３の中心部に向く部分の平面視の形状は、矩形の一部の形状に限るものではない。例えば、図６の（ａ）に示すように、回折格子１１０ｂを構成する各々の溝の活性層１０３の中心部に向く部分の平面視の形状は、半円とすることができる。また、図６の（ｂ）に示すように、回折格子１１０ｂを構成する各々の溝の活性層１０３の中心部に向く部分の平面視の形状は、三角とすることができる。また、図６の（ｃ）に示すように、回折格子１１０ｂを構成する各々の溝の活性層１０３の中心部に向く部分の平面視の形状は、波形とすることもできる。
［実施の形態２］
　次に、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザについて図７Ａ、図７Ｂを参照して説明する。この半導体レーザは、基板１０１の上に、導波方向に延在するコア形状に形成された活性層１０３を備え、共振器内に回折格子１１０’を備えるＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザである。
　この半導体レーザは、前述した実施の形態１と同様に、基板１０１の上に第１クラッド層１０２が形成され、第１クラッド層１０２の上に、活性層１０３を備える。基板１０１は、例えば、Ｓｉから構成され、第１クラッド層１０２は、例えば、酸化シリコンから構成されている。また、活性層１０３を挾んで活性層１０３に接して形成されたｐ型半導体層１０４およびｎ型半導体層１０５を備える。また、活性層１０３の上に形成された第２クラッド層１０６と、ｐ型半導体層１０４およびｎ型半導体層１０５に接続するｐ電極１０７およびｎ電極１０８とを備える。
　この例では、ｐ型半導体層１０４およびｎ型半導体層１０５は、例えば、ＩｎＰからなる半導体層１０９に不純物を導入することで形成されている。また、ｐ型半導体層１０４とｎ型半導体層１０５との間において、活性層１０３は、半導体層１０９に埋め込まれて形成されている。
　上述した構成に加え、この半導体レーザは、活性層１０３の導波方向に垂直な幅方向に、回折格子１１０’が形成されていない未形成領域１１１’を備える。実施の形態２において、回折格子１１０は、活性層１０３の幅方向の中央部に配置され、未形成領域１１１’は、回折格子１１０を挟む状態に回折格子１１０の両脇に配置されている。実施の形態２においても、未形成領域１１１’を設けることで、活性層１０３をコアとして導波する光の導波モードと回折格子１１０’との重なりが低下（減少）するため、結合係数を下げることができる。
　未形成領域１１１’の、導波方向に垂直な幅を変えることで、結合係数を変化させることができる。従って、ウエハ内で異なる箇所に形成される素子毎に未形成領域１１１’の幅を変えることで、素子毎に結合係数を変更することができる。このように、実施の形態２においても、ウエハ内で異なる箇所に形成される素子毎に、より容易に結合係数を変更して回折格子が形成できるようになる。
　また、図８に示すように、未形成領域１１１’ａの幅を、導波方向に異なる位置で変化させることができる。実施の形態２においては、回折格子１１０’ａの幅が、導波方向に異なる位置で変化するものとなる。図８に示す例では、活性層１０３の上の領域において、導波方向の一方の側から他方の側に位置が変位するにつれ、未形成領域１１１’ａの幅が徐々に広がり、また、徐々に狭くなっている。この例では、活性層１０３の導波方向中央部における未形成領域１１１’ａの幅が、導波方向両端部における未形成領域１１１’ａの幅より広くなっている。このため、導波方向両端部における回折格子１１０’ａの幅が、導波方向中央部における回折格子１１０’ａの幅より広くなっている。
　上述したように未形成領域１１１’ａの幅が変化することで、活性層１０３の導波方向中央部における回折格子１１０’ａの結合係数は、導波方向両端部における結合係数より低下している。このように、導波方向の一部で結合係数が低下している回折格子１１０’ａを用いることで、緩やかな位相シフトをもつＤＦＢレーザとして動作させることができる。
　なお、回折格子を構成する各々の溝の平面視の形状は、長方形としたが、これに限るものではない。回折格子を構成する各々の溝の平面視の形状は、長方形の各頂点を丸めた形状とすることもできる。
　以上に説明したように、本発明によれば、活性層の導波方向に垂直な幅方向に回折格子の未形成領域を設けたので、ウエハ内で異なる箇所に形成される素子毎に、より容易に結合係数を変更して回折格子が形成できるようになる。
　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…基板、１０２…第１クラッド層、１０３…活性層、１０４…ｐ型半導体層、１０５…ｎ型半導体層、１０６…第２クラッド層、１０７…ｐ電極、１０８…ｎ電極、１０９…半導体層、１１０…回折格子、１１１…未形成領域。

Claims (4)

  1. 　基板の上に形成された第１クラッド層と、
    　前記第１クラッド層の上に、導波方向に延在するコア形状に形成された活性層と、
    　前記活性層を挾んで前記活性層に接して形成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、
    　前記活性層の上に形成された第２クラッド層と、
    　前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層に接続するｐ電極およびｎ電極と、
    　前記活性層の上に形成された回折格子からなる共振器と
    　を備え、
    　前記活性層の前記導波方向に垂直な幅方向に前記回折格子の未形成領域が設けられている
    　半導体レーザ。
  2. 　請求項１記載の半導体レーザにおいて、
    　前記未形成領域の幅は、前記導波方向に異なる位置で変化している半導体レーザ。
  3. 　請求項１または２記載の半導体レーザにおいて、
    　前記未形成領域は、前記活性層の幅方向の中央部に配置されている半導体レーザ。
  4. 　請求項１または２記載の半導体レーザにおいて、
    　前記回折格子は、前記活性層の幅方向の中央部に配置され、
    　前記未形成領域は、前記回折格子を挟む状態に前記回折格子の両脇に配置されている
    　半導体レーザ。
PCT/JP2023/029527 2023-08-15 2023-08-15 半導体レーザ WO2025037387A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2023/029527 WO2025037387A1 (ja) 2023-08-15 2023-08-15 半導体レーザ

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2023/029527 WO2025037387A1 (ja) 2023-08-15 2023-08-15 半導体レーザ

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2025037387A1 true WO2025037387A1 (ja) 2025-02-20

Family

ID=94632771

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2023/029527 WO2025037387A1 (ja) 2023-08-15 2023-08-15 半導体レーザ

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2025037387A1 (ja)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03110884A (ja) * 1989-09-26 1991-05-10 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 分布帰還型半導体レーザーおよびその製造方法
JPH10270789A (ja) * 1997-03-26 1998-10-09 Nec Corp 光通信等に用いる半導体光素子及びその製造方法
JP2004247710A (ja) * 2003-01-20 2004-09-02 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体素子の作製方法及び半導体素子
JP2019091806A (ja) * 2017-11-15 2019-06-13 日本電信電話株式会社 半導体レーザ
WO2020145128A1 (ja) * 2019-01-08 2020-07-16 日本電信電話株式会社 半導体光素子
WO2022259448A1 (ja) * 2021-06-10 2022-12-15 日本電信電話株式会社 半導体レーザおよびその製造方法
WO2023119367A1 (ja) * 2021-12-20 2023-06-29 日本電信電話株式会社 半導体レーザ

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03110884A (ja) * 1989-09-26 1991-05-10 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 分布帰還型半導体レーザーおよびその製造方法
JPH10270789A (ja) * 1997-03-26 1998-10-09 Nec Corp 光通信等に用いる半導体光素子及びその製造方法
JP2004247710A (ja) * 2003-01-20 2004-09-02 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体素子の作製方法及び半導体素子
JP2019091806A (ja) * 2017-11-15 2019-06-13 日本電信電話株式会社 半導体レーザ
WO2020145128A1 (ja) * 2019-01-08 2020-07-16 日本電信電話株式会社 半導体光素子
WO2022259448A1 (ja) * 2021-06-10 2022-12-15 日本電信電話株式会社 半導体レーザおよびその製造方法
WO2023119367A1 (ja) * 2021-12-20 2023-06-29 日本電信電話株式会社 半導体レーザ

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8965153B2 (en) Optical semiconductor device and optical waveguide
CN101247025B (zh) 具有与导波耦合的衍射光栅的光学器件及其制造方法
JP5177285B2 (ja) 光素子及びその製造方法
US7974326B2 (en) Hybrid laser diode for single mode operation and method of fabricating the same
US6162655A (en) Method of fabricating an expanded beam optical waveguide device
JP5182362B2 (ja) 光素子及びその製造方法
US20100284019A1 (en) Semiconductor integrated optical device and method of making the same
CN1979241A (zh) 耦合在光波导中传播的光与衍射光栅的光学器件
JP2018006440A (ja) 半導体レーザ
US12027818B2 (en) Semiconductor laser
JP7334582B2 (ja) 半導体光素子およびその製造方法
US20230021415A1 (en) Manufacturing Method for Semiconductor Device
JPH0961652A (ja) 半導体光導波路およびその作製方法
US20060120428A1 (en) Distributed feedback (DFB) semiconductor laser and fabrication method thereof
JP7709640B2 (ja) 半導体レーザ
WO2025037387A1 (ja) 半導体レーザ
JP7294453B2 (ja) 直接変調レーザ
US10725241B2 (en) Asymmetrical spot-size converter and method of manufacturing spot-size converter
JP2019091806A (ja) 半導体レーザ
US12158609B2 (en) Semiconductor optical device and method for manufacturing the same
US20230275399A1 (en) Semiconductor optical device and method of manufacturing the same
US11777274B2 (en) Semiconductor optical device and method for manufacturing the same
EP4311042A1 (en) Opto-electronic device
JP7159844B2 (ja) 半導体レーザ
US20250125581A1 (en) Heterogeneously integrated dfb laser with single lateral mode

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23949157

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1