JP2007129028A - Semiconductor laser - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the heat dissipation property and reduce a waveguide loss by diffraction on outer surfaces in a semiconductor laser consisting of a two-dimensional photonic crystal line-defect waveguide. <P>SOLUTION: The semiconductor laser consisting of a semiconductor clad two-dimensional photonic crystal-line defect waveguide is so constructed as to meet 0.5a>r≥0.325a, d≤1.84a, and a= λ/n<SB>eff</SB>; where λ is the wavelength in vacuum of light created by lasing in a waveguide 3, a is a distance among a plurality of holes 2, r is the radius of the holes 2, d is the width of the waveguide 3 which is defined as a distance between the centers of the holes 2 arranged with the waveguide 3 in-between; and n<SB>eff</SB>is an effective refraction index of the waveguide 2 in a basic mode at the Bloch wave number of 0 which is determined by the refraction index of a semiconductor core layer 12, the distance a among the plurality of holes 2, the radius r of the holes 2, and the width d of the waveguide 3. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体レーザに関し、より詳しくは、屈折率の異なる物質を光の波長程度の周期で配列させた構造であるフォトニック結晶を用いた半導体レーザに関する。   The present invention relates to a semiconductor laser, and more particularly to a semiconductor laser using a photonic crystal having a structure in which substances having different refractive indexes are arranged with a period of about the wavelength of light.

次世代の超小型光集積回路を実現するためのキーテクノロジーとしてフォトニック結晶が注目を集めており、多くの研究機関により理論・実験の両面から精力的な研究が行なわれている。その中でも半導体活性層を用いた半導体レーザは大きなテーマの一つである。
フォトニック結晶を用いた半導体レーザのための光共振器として、フォトニック結晶の分布帰還効果を利用した共振器がある。これはフォトニック結晶のフォトニックバンド端において群速度が０になることを利用した共振器である。 Photonic crystals are attracting attention as a key technology for realizing next-generation ultra-compact optical integrated circuits, and many research institutions are actively researching both theoretical and experimental aspects. Among them, a semiconductor laser using a semiconductor active layer is one of the major themes.
As an optical resonator for a semiconductor laser using a photonic crystal, there is a resonator using a distributed feedback effect of a photonic crystal. This is a resonator utilizing the fact that the group velocity becomes zero at the photonic band edge of the photonic crystal.

かかる分布帰還効果を利用した半導体レーザとして、例えば下記の非特許文献１では、２次元の分布帰還効果を利用した面発光型単一縦横モード発振レーザが報告されている。また、一次元の分布帰還効果を利用した半導体レーザとして、例えば非特許文献２では、２次元フォトニック結晶スラブ中の線欠陥導波路における一次元分布帰還効果を利用したレーザが報告されている。   As a semiconductor laser using such a distributed feedback effect, for example, the following Non-Patent Document 1 reports a surface-emitting single longitudinal / horizontal mode oscillation laser using a two-dimensional distributed feedback effect. As a semiconductor laser using a one-dimensional distributed feedback effect, for example, Non-Patent Document 2 reports a laser using a one-dimensional distributed feedback effect in a line defect waveguide in a two-dimensional photonic crystal slab.

非特文献２に記載の例は、従来より知られた(一次元の)分布帰還（ＤＦＢ(Distributed Feedback)）共振器をフォトニックバンド端の０群速度を利用して実現したものであると考えることができる。このようなレーザは特に、2次元フォトニック結晶スラブを用いた光集積回路との親和性が高いという点において大きい利点がある。
M. Yokoyamaらの「Polarization mode control of two-dimensional photonic crystal laser by unit cell structure design」(Science, vol.293, pp. 1123-1125, 2001) A. Sugitatsuらの「Characterization of line-defect waveguide lasers in two-dimensional photonic-crystal slabs」(Appl. Phys. Lett., vol. 84, pp. 5395-5397, 2004) The example described in Non-Patent Document 2 is considered to be a realization of a conventionally known (one-dimensional) distributed feedback (DFB) resonator using the zero group velocity at the photonic band edge. be able to. Such a laser is particularly advantageous in that it has a high affinity with an optical integrated circuit using a two-dimensional photonic crystal slab.
M. Yokoyama et al. “Polarization mode control of two-dimensional photonic crystal laser by unit cell structure design” (Science, vol.293, pp. 1123-1125, 2001) A. Sugitatsu et al., “Characterization of line-defect waveguide lasers in two-dimensional photonic-crystal slabs” (Appl. Phys. Lett., Vol. 84, pp. 5395-5397, 2004)

さて、２次元フォトニック結晶スラブを利用したデバイスを設計する場合、回折によるスラブ面外への導波ロスを考慮する必要がある。かかる面外回折は、利用できない外部損失となってしまうからである。   Now, when designing a device using a two-dimensional photonic crystal slab, it is necessary to consider waveguide loss outside the slab surface due to diffraction. This is because such out-of-plane diffraction results in an unusable external loss.

この点、非特許文献２に記載された半導体レーザではスラブのクラッドを空気とし、コア層と空気クラッド層との間の非常に大きい屈折率差を利用して回折損が起こらない設計にしていた。しかしながらこの構造では、クラッド層が空気であるため、熱抵抗が非常に大きく放熱性が悪いという難点がある。これに対してコア層とクラッド層の両方を半導体で形成した構造は、熱抵抗の面では有利であるが、コア層とクラッド層との屈折率差を十分大きく取れないために面外回折による導波損失が無視できないという問題があった。   In this regard, in the semiconductor laser described in Non-Patent Document 2, the cladding of the slab is air, and the design is such that diffraction loss does not occur using a very large refractive index difference between the core layer and the air cladding layer. . However, in this structure, since the cladding layer is air, there is a problem that the thermal resistance is very large and the heat dissipation is poor. In contrast, a structure in which both the core layer and the clad layer are made of semiconductor is advantageous in terms of thermal resistance, but because the difference in refractive index between the core layer and the clad layer cannot be made sufficiently large, it is due to out-of-plane diffraction. There is a problem that waveguide loss cannot be ignored.

本発明が解決しようとする課題は、放熱性が良く、面外回折による導波路損失を低減できる半導体レーザを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a semiconductor laser that has good heat dissipation and can reduce waveguide loss due to out-of-plane diffraction.

上記の課題を解決するための本発明の第１の態様は、半導体基板と、前記半導体基板上に積層された下部半導体クラッド層と、前記下部半導体クラッド層上に積層された半導体コア層と、前記半導体コア層上に積層された上部半導体クラッド層と、前記上部半導体クラッド層と前記半導体コア層とを貫通する複数の空孔により、前記半導体コア層に形成される二次元的な屈折率の周期構造と、前記２次元的な屈折率の周期構造内に形成されて、前記空孔に挟まれ且つ前記空孔が存在しない線状の欠陥領域からなる導波路とを有する半導体レーザであって、
前記導波路でレーザ発振する光の真空中の波長をλ、
複数の前記空孔の間隔をａ、
前記空孔の半径をｒ、
前記導波路を挟んで配列した前記空孔の中心間の距離として定義される前記導波路の幅をｄ、
前記半導体コア層の屈折率、複数の前記空孔の前記間隔ａ、前記空孔の前記半径ｒ、前記導波路の前記幅ｄとで決まる前記導波路の基本モードの、ブロッホ波数０における実効屈折率をｎ_eff
としたときに、
０．５ａ＞ｒ≧０．３２５a、
ｄ≦１．８４ａ、
ａ＝λ／ｎ_eff
が成立していることを特徴とする半導体レーザである。 A first aspect of the present invention for solving the above problems includes a semiconductor substrate, a lower semiconductor cladding layer stacked on the semiconductor substrate, a semiconductor core layer stacked on the lower semiconductor cladding layer, A two-dimensional refractive index formed in the semiconductor core layer by an upper semiconductor clad layer stacked on the semiconductor core layer and a plurality of holes penetrating the upper semiconductor clad layer and the semiconductor core layer. A semiconductor laser having a periodic structure and a waveguide formed in the periodic structure having a two-dimensional refractive index and formed by a linear defect region sandwiched between the vacancies and having no vacancies. ,
The wavelength in vacuum of the light oscillated in the waveguide is λ,
The interval between the plurality of holes is a,
The radius of the hole is r,
The width of the waveguide defined as the distance between the centers of the holes arranged across the waveguide is d,
Effective refraction at the Bloch wave number 0 of the fundamental mode of the waveguide determined by the refractive index of the semiconductor core layer, the interval a of the plurality of holes, the radius r of the holes, and the width d of the waveguide Rate n _eff
And when
0.5a> r ≧ 0.325a,
d ≦ 1.84a,
a = λ / n _eff
This is a semiconductor laser characterized in that

本発明の第２の態様は、前記第１の態様において、第２の前記複数の空孔は、三角格子配列されていることを特徴とする。
本発明の第３の態様は、前記第１又は第２の態様において、ｒ≧０．３５aであることを特徴とする。
本発明の第４の態様は、前記第１乃至第３の態様のいずれか１つにおいて、ｄ≦（√３）ａであることを特徴とする。
本発明の第５の態様は、前記第１乃至第４の態様のいずれか１つにおいて、前記線状の欠陥領域からなる導波路から出射されるレーザ光を導波する半導体光回路が、前記半導体基板上に集積されていることを特徴とする。
本発明の第６の態様は、前記第１乃至第５の態様のいずれか１つにおいて、前記半導体光回路は、前記導波路の幅よりも広い幅を有する導波路を含むことを特徴とする。
本発明の第７の態様は、前記第５又は第６の態様において、前記半導体光回路は、フォトニック結晶光回路であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the second plurality of holes are arranged in a triangular lattice.
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, r ≧ 0.35a.
According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, d ≦ (√3) a.
According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, a semiconductor optical circuit that guides a laser beam emitted from a waveguide including the linear defect region includes It is characterized by being integrated on a semiconductor substrate.
According to a sixth aspect of the present invention, in any one of the first to fifth aspects, the semiconductor optical circuit includes a waveguide having a width wider than the width of the waveguide. .
According to a seventh aspect of the present invention, in the fifth or sixth aspect, the semiconductor optical circuit is a photonic crystal optical circuit.

本発明によれば、半導体クラッド型二次元フォトニック結晶線欠陥導波路からなる半導体レーザにおいて、
導波路でレーザ発振する光の真空中の波長をλ、
複数の空孔の間隔をａ、
空孔の半径をｒ、
導波路を挟んで配列した空孔の中心間の距離として定義される導波路の幅をｄ、
半導体コア層の屈折率、複数の空孔の間隔ａ、空孔の半径ｒ、導波路の幅ｄとで決まる導波路の基本モードの、ブロッホ波数０における実効屈折率をｎ_eff
としたときに、
０．５ａ＞ｒ≧０．３２５a
ｄ≦１．８４ａ
ａ＝λ／ｎ_eff
が成立するように構成している。
これにより、共振器内を往復する進行波及び後退波それぞれによる面外回折波の位相を逆位相とし、回折を全体として打ち消すことができ、面外回折による導波路損失を低減できる。
また、本発明では、コア層を半導体クラッド層により挟む構造としたので、空気クラッドに比べて熱抵抗が低く、放熱性を良くすることができる。 According to the present invention, in a semiconductor laser comprising a semiconductor clad type two-dimensional photonic crystal line defect waveguide,
The wavelength in vacuum of the light lasing in the waveguide is λ,
The interval between the plurality of holes is a,
The radius of the hole is r,
The width of the waveguide, defined as the distance between the centers of the holes arranged across the waveguide, d,
The effective refractive index at the Bloch wave number 0 of the fundamental mode of the waveguide determined by the refractive index of the semiconductor core layer, the interval a between the plurality of holes, the radius r of the holes, and the width d of the waveguide is expressed as n _eff
And when
0.5a> r ≧ 0.325a
d ≦ 1.84a
a = λ / n _eff
Is configured to hold.
As a result, the phase of the out-of-plane diffracted wave caused by each of the traveling wave and the backward wave traveling back and forth in the resonator can be reversed, canceling out the diffraction as a whole, and reducing the waveguide loss due to out-of-plane diffraction.
In the present invention, since the core layer is sandwiched between the semiconductor clad layers, the thermal resistance is lower than that of the air clad, and the heat dissipation can be improved.

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
まず、本発明の原理について説明する。
本発明者らは、従来技術の問題を解決するために、共振器内を往復する進行波及び後退波それぞれによる面外回折波の位相を逆位相とし、回折を全体として打ち消すことによって、面外回折による導波損失を低減するという着想を得て、本発明を完成するに至った。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
First, the principle of the present invention will be described.
In order to solve the problems of the prior art, the present inventors set the out-of-plane diffracted wave by the traveling wave and the backward wave traveling back and forth in the resonator as opposite phases, and canceling the diffraction as a whole, The present invention has been completed with the idea of reducing the waveguide loss due to diffraction.

フォトニック結晶中の線欠陥導波路のように、導波路の長手方向(y方向)に周期ａの構造がある場合、その構造を伝播する波数k_yの光は次式
k_y’＝k_y＋２ｎπ／ａ
を満たす波数k_y’の回折波を伴うである。但し、式において、ｎは整数である。かかる回折波を含む複数の波は、Bloch波数k_yBloch＝k_yで総称される。
そして、上記各ｎに対応する回折波のうち、導波路外部を伝播する平面波と同じ波数をもっているものが、該平面波と結合して外部に伝搬し、損失となる。 If there is a structure with a period a in the longitudinal direction (y direction) of the waveguide, such as a line defect waveguide in a photonic crystal, the light of wave number k _y propagating through the structure is
k _y '= k _y + 2nπ / a
It is accompanied by a diffracted wave of wave number k _y '. However, in the formula, n is an integer. A plurality of waves including such diffracted wave are collectively referred to by the Bloch wave number _k yBloch = k _y.
Of the diffracted waves corresponding to each n, the wave having the same wave number as the plane wave propagating outside the waveguide is coupled to the plane wave and propagates to the outside, resulting in a loss.

ところで、半導体レーザに使用されるフォトニック結晶と線欠陥導波路の平面的な概要構成図は図１に示すようになる。
図１において、半導体層１内には、複数の円孔２が等間隔で１つの導波方向に平行に複数列で形成されている。また、隣り合う２つの列の互いの複数の円孔（空孔）２は、それぞれ、一方の列の２つの円孔２の中心が他方の列のうち最も近い１つの円孔２の中心に対して例えば正三角形の頂点に位置する関係を持つように配置され、これにより三角格子が形成されている。また、円孔２の複数の列のうち所定の２つの列の円孔２の間には、線欠陥導波路３が導波方向に延びて配置されている。 Incidentally, a schematic plan view of a photonic crystal and a line defect waveguide used in a semiconductor laser is shown in FIG.
In FIG. 1, a plurality of circular holes 2 are formed in a plurality of rows in the semiconductor layer 1 at regular intervals in parallel to one waveguide direction. In addition, a plurality of circular holes (holes) 2 in two adjacent rows are respectively located at the center of one circular hole 2 in which the center of the two circular holes 2 in one row is the closest in the other row. On the other hand, for example, they are arranged so as to have a relationship located at the vertices of an equilateral triangle, thereby forming a triangular lattice. A line defect waveguide 3 is disposed between the circular holes 2 in a predetermined two rows among the plurality of rows of the circular holes 2 so as to extend in the waveguide direction.

線欠陥導波路３の幅はｄであり、その幅ｄは、線欠陥導波路３を挟む２つの列の複数の円孔３の中心を通る線の間隔である。線欠陥導波路３を挟む２つの列の円孔２同士は、導波路方向に互いにずれがない位置に配置されている。
ここで円孔２のピッチをａ、その半径をｒとする。これにより、線欠陥導波路３上を除く複数の円孔２は導波路方向とその斜め方向で円孔２のピッチがａとなる。なお、線欠陥導波路３の長手方向はｙ方向、これに垂直であって導波路面内の方向をｘ方向とする。 The width of the line defect waveguide 3 is d, and the width d is an interval between lines passing through the centers of the plurality of circular holes 3 in two rows sandwiching the line defect waveguide 3. The circular holes 2 in the two rows sandwiching the line defect waveguide 3 are arranged at positions where there is no deviation from each other in the waveguide direction.
Here, the pitch of the circular holes 2 is a, and the radius thereof is r. Thus, the plurality of circular holes 2 except on the line defect waveguide 3 have a pitch of the circular holes 2 in the waveguide direction and the oblique direction thereof. The longitudinal direction of the line defect waveguide 3 is the y direction, and the direction in the waveguide plane perpendicular to the y direction is the x direction.

このようなフォトニック結晶中に線欠陥導波路３を設計する場合において、二次の分布帰還を生じるようにフォトニック結晶の周期ａを選択する場合、導波路を伝搬する光の波数は±２π／ａとなる。
そこで、この場合において、一（いち）の方向(＋方向)に進行する波数k_y＝２π／ａの波(進行波)を考えると、この進行波による−１次の面外回折波の波数は、上式においてｎ＝−１としてk_y’＝０で表される。 When designing the line defect waveguide 3 in such a photonic crystal, when the period a of the photonic crystal is selected so as to produce a secondary distributed feedback, the wave number of light propagating through the waveguide is ± 2π. / A.
Therefore, in this case, when considering a wave (traveling wave) with a wave number k _y = 2π / a traveling in one (one) direction (+ direction), the wave number of the −1st order out-of-plane diffracted wave due to this traveling wave Is expressed by k _y ′ = 0 where n = −1 in the above equation.

一方、上記の一（いち）の方向と反対の方向(−方向)に進行する波数k_y＝−２π／ａの波(後退波)を考えると、この後退波による＋１次の面外回折波の波数は、上式においてｎ＝＋１としてやはりk_y’＝０で表される。
つまり、前へ進む進行波の回折による外部への損失と後ろへ進む後退波の回折による外部への損失が、導波方向yに関して同じ波数条件(k_y’ ＝０)で起こる。 On the other hand, when considering a wave (reverse wave) having a wave number k _y = −2π / a traveling in the opposite direction (− direction) to the one (1) direction, the + 1st order out-of-plane diffracted wave due to the reverse wave Is represented by k _y ′ = 0 with n = + 1 in the above equation.
That is, the loss to the outside due to the diffraction of the traveling wave traveling forward and the loss to the outside due to the diffraction of the backward wave traveling backward occur under the same wave number condition (k _y ′ = 0) with respect to the waveguide direction y.

また、光が共振状態になって定在波を形成している状態においては、上記進行波と後退波とは同一強度である。このため、進行波と後退波のそれぞれによる回折は同じ強度で起こることになる。
そこで、これらの回折波同士の光の干渉を考えると、２つの回折波が同位相の場合には強めあい、外部への損失は強調されるが、２つの回折波が逆位相(位相差がπ）であれば回折光同士が打ち消しあうことになり、結果として外部への損失が低減されることになる。 In the state where the light is in a resonance state to form a standing wave, the traveling wave and the backward wave have the same intensity. For this reason, the diffraction by the traveling wave and the backward wave occurs at the same intensity.
Therefore, considering the interference of light between these diffracted waves, if the two diffracted waves are in phase, they are strengthened and the loss to the outside is emphasized, but the two diffracted waves are out of phase (the phase difference is If π), the diffracted light cancel each other, and as a result, loss to the outside is reduced.

しかしながら、導波路の長手方向ｙに沿った電界成分E_yと、ｙに垂直で且つ導波路面内にあるx方向に沿った電界成分E_xを考えたときに、E_xとE_yの両方について、これらに基づく回折波の位相が進行波と後退波との間で逆となるような条件はなく、E_xとE_yのいずれか一方についてのみ回折波の位相が進行波と後退波との間で逆位相となりうるにすぎない。これは、導波モードにおいてはE_xとE_yは常に位相がπ／２ずれているためである。 However, when considering the electric field component E _y along the longitudinal direction y of the waveguide and the electric field component E _x along the x direction perpendicular to y and in the waveguide plane, both E _x and E _y There is no condition that the phase of the diffracted wave based on these is reversed between the traveling wave and the backward wave, and the phase of the diffracted wave is the traveling wave and the backward wave only for one of E _x and E _y It can only be in antiphase. This is because E _x and E _y are always out of phase by π / 2 in the guided mode.

そこで、本発明者らは、ｘ，ｙ各方向の電界成分E_x、E_yのいずれか一方の大きさを無視できる程度に小さくなる導波モードを見つければ、他方の電界成分に基づく回折波の位相を逆位相とすることにより、回折波が打ち消し合うようにできると考えた。
本発明者らは、電界成分E_xとE_yのいずれか一方の大きさが無視できる程度に小さくなる導波モードを実現できる半導体クラッド型二次元フォトニック結晶線欠陥導波路からなる半導体レーザの設計を行うために、３次元ＦＤＴＤ(Finite Difference Time Domain：時間領域差分)法を用いた解析を行った。解析は、フォトニック結晶として空気円孔の三角格子配列(円孔間隔をａとする)を考え、図２に示すように、半導体コアとクラッドの一部まで円孔が形成された構造について行われた。 Therefore, if the present inventors find a waveguide mode that is small enough to ignore the magnitude of one of the electric field components E _x and E _{y in} the x and y directions, a diffracted wave based on the other electric field component is found. It was considered that the diffracted waves can cancel each other out by setting the phase of the phase to the opposite phase.
The present inventors have disclosed a semiconductor laser comprising a semiconductor clad type two-dimensional photonic crystal line defect waveguide capable of realizing a waveguide mode in which either one of the electric field components E _x and E _y is negligibly small. In order to design, an analysis using a three-dimensional FDTD (Finite Difference Time Domain) method was performed. The analysis considers a triangular lattice arrangement of air holes as a photonic crystal (where the hole interval is a), and a structure in which holes are formed up to a part of the semiconductor core and cladding as shown in FIG. It was broken.

図２において、下部クラッド層１１と上部クラッド層１３の間には、バリア１２ｂに挟まれた量子井戸層１２ａ構造を有するコア層１２が形成されている。ここで、図１に示した円孔２は、上部クラッド層１３からコア層１２を貫通して下部クラッド層１１に達する深さに形成されている。
ここで、コア層１２の屈折率は３．４５、クラッド層１１，１３の屈折率は３．１７、空気の屈折率は１．００とする。また、コア層１２の厚みを１．３２ａとし、上部クラッド層６の厚みを１．３２ａとし、円孔２の深さは５．２５ａとする。 In FIG. 2, between the lower clad layer 11 and the upper clad layer 13, a core layer 12 having a quantum well layer 12a structure sandwiched between barriers 12b is formed. Here, the circular hole 2 shown in FIG. 1 is formed to a depth reaching the lower cladding layer 11 from the upper cladding layer 13 through the core layer 12.
Here, the refractive index of the core layer 12 is 3.45, the refractive index of the cladding layers 11 and 13 is 3.17, and the refractive index of air is 1.00. The thickness of the core layer 12 is 1.32a, the thickness of the upper cladding layer 6 is 1.32a, and the depth of the circular hole 2 is 5.25a.

(1) 円孔半径ｒ＝０．３１５ａ, 導波路幅ｄ＝１．９５ａの場合の例
最初に、円孔半径ｒを０．３１５ａ、線欠陥導波路３両側の列の円孔２の中心間の距離で定義される導波路幅ｄを１．９５ａとしたフォトニック結晶線欠陥導波路構造の分散関係を解析した。図３は、この場合の導波路の分散関係を示したものである。 (1) Example when the circular hole radius r = 0.315a and the waveguide width d = 1.95a First, the circular hole radius r is 0.315a, and the center of the circular holes 2 in the rows on both sides of the line defect waveguide 3 The dispersion relation of the photonic crystal line defect waveguide structure in which the waveguide width d defined by the distance between them was 1.95a was analyzed. FIG. 3 shows the dispersion relation of the waveguide in this case.

図３において、横軸は‘２π／ａ’で規格化されたｙ方向(導波路の長手方向)のBloch波数、縦軸は‘ｃ／ａ’で規格化された周波数である。ここで、cは光速である。
また、図３において、●印及び○印がフォトニック結晶線欠陥導波路３の導波モードを表し、□印は、線欠陥がないフォトニック結晶中のモードを参考のために示したものである。 In FIG. 3, the horizontal axis represents the Bloch wave number in the y direction (longitudinal direction of the waveguide) normalized by '2π / a', and the vertical axis represents the frequency normalized by 'c / a'. Here, c is the speed of light.
In FIG. 3, ● and ○ indicate the waveguide modes of the photonic crystal line defect waveguide 3, and □ indicates the modes in the photonic crystal having no line defects for reference. is there.

図３に示すように、導波モードは複数存在するが、ここでは最低次の偶モードである図中●印で示された導波モードαに着目する。
図４は、導波モードαの分散曲線のうち、図３に破線の丸で示す点(k_{y Bloch}＝０)に対応する波数を有する波について、進行波、後退波及びこれらの回折波の寄与が考慮された電界の波数成分の分布を、濃淡により表したものである。 As shown in FIG. 3, there are a plurality of waveguide modes. Here, attention is focused on the waveguide mode α indicated by the mark ● in the figure, which is the lowest even mode.
FIG. 4 shows the contribution of the traveling wave, the backward wave, and these diffracted waves to the wave having the wave number corresponding to the dotted line circle (k _{y Bloch} = 0) in FIG. The distribution of the wave number component of the electric field considered is expressed by shading.

ここで、図４において、k_y＝０のほかにも、k_y軸に垂直な方向に２π／ａおきに電界成分が現れているのは、フォトニック結晶の周期性に基づく回折波が存在することによるものである。
また、図４中の円は波数ｋ＝２πｆn_clad/cを表しており(n_cladはクラッド層の屈折率)、この円の内部に対応する波数を有するコア伝搬光は、クラッド伝搬光の波数ｋ＝２πｆn_clad/cよりも小さい波数を有していることになるから、コア−クラッド界面で全反射を起こすことはないので、外部への回折損失となりうる。これに対し、円の外部に対応する波数を有するコア伝搬光は、クラッド伝搬光の波数ｋ＝２πｆn_clad/cよりも大きな波数を有しているので、コア−クラッド界面で全反射し、従って、外部への損失となることはない。 In FIG. 4, in addition to k _y = 0, an electric field component appears every 2π / a in the direction perpendicular to the k _y axis because there is a diffracted wave based on the periodicity of the photonic crystal. It is by doing.
The circle in FIG. 4 represents the wave number k = 2πfn _clad / c (n _clad is the refractive index of the clad layer), and the core propagation light having a wave number corresponding to the inside of this circle is the wave number of the clad propagation light. Since the wave number is smaller than k = 2πfn _clad / c, total reflection does not occur at the core-cladding interface, which may cause diffraction loss to the outside. On the other hand, the core propagating light having a wave number corresponding to the outside of the circle has a wave number larger than the wave number k = 2πfn _clad / c of the clad propagating light, and is totally reflected at the core-cladding interface. There will be no loss to the outside.

そこで、図４においてｘ方向の電界成分E_xについてみると、k_y＝０の成分は存在しないことがわかる(図４(a)参照)。このことは、k_y＝０の成分についていえば、進行波による面外回折波と後退波による面外回折波とが、位相が逆となっているため、面外回折が打ち消しあっていることを意味している。k_y＝０以外の各Bloch成分は、すべて図４中の半径２πｆn_clad/cの円の外であるから、これらは外部への損失となることはない。よって、この場合のｘ方向の電界成分E_xは、損失には寄与しない。 Therefore, in the case of the electric field component E _x in the x direction in FIG. 4, it can be seen that there is no component with k _y = 0 (see FIG. 4A). This is speaking for the components of k _y = 0, and a plane diffraction waves by receding wave and plane diffracted wave by the traveling wave, the phase is in the reverse, the out-of-plane diffraction is canceled out Means. Since all Bloch components other than k _y = 0 are outside the circle of radius 2πfn _clad / c in FIG. 4, they do not cause loss to the outside. Therefore, the electric field component E _x in the x-direction in this case does not contribute to the loss.

しかしながら、y方向の電界成分E_yについてみると(図４(b)参照)、面外損失の要因となりうるE_yのk_y=0成分がかなり大きく、波数ｋ＝２πｆn_clad/cに対応する円の内部にも無視できない強度で存在しうることがわかる。そうすると、かかるｙ方向の電界成分E_yによる面外回折による損失が問題となる。図５は、ＦＤＴＤ法によって求められたｙ方向のブロッホ波数k_{y Bloch}＝０付近の面外損失の大きさを示したものである。ここで、共振モードでの動作を考慮し、損失は時間的な減衰定数で表示した。 However, looking at the electric field component E _y in the y direction (see FIG. 4B), the K _y = 0 component of E _y that can cause out-of-plane loss is quite large, corresponding to the wave number k = 2πfn _clad / c. It can be seen that the inside of the circle can exist with a strength that cannot be ignored. Then, a loss due to out-of-plane diffraction due to the electric field component E _{y in the} y direction becomes a problem. FIG. 5 shows the magnitude of the out-of-plane loss near the y-direction Bloch wave number k _{y Bloch} = 0 obtained by the FDTD method. Here, in consideration of the operation in the resonance mode, the loss is expressed as a temporal decay constant.

回折波の位相が進行波と後退波との間で逆位相になっていることにより損失が低減されるという効果が発現するとすれば、ブロッホ波数k_{y Bloch}＝０においてその効果が顕著に現れると考えられるが、この導波モードでは、図５から理解されるように、損失(減衰定数)は、ブロッホ波数k_{y Bloch}＝０近傍で平坦となっているので、そのような効果はあるとはいえない。すなわち、この場合、ブロッホ波数k_{y Bloch}＝０においてｘ方向の電界成分E_xについて進行波と後退波間で回折波の位相が逆となっていても、ｙ方向の電界E_yのk_y＝０成分の強度が強く、これが支配的に損失を決定しているので、面外回折の打ち消しによる損失低減の効果の発揮が妨げられているものと考えられる。 If the effect that the loss is reduced due to the phase of the diffracted wave being the opposite phase between the traveling wave and the backward wave is expressed, the effect appears remarkably at Bloch wave number k _{y Bloch} = 0. In this guided mode, as is understood from FIG. 5, the loss (attenuation constant) is flat in the vicinity of Bloch wave number k _{y Bloch} = 0. I can't say that. That is, in this case, Bloch wave number k _{y Bloch} = 0 be the x-direction of the phase of the diffracted wave in the traveling wave and a retracted waves for the electric field component E _x is it the reverse in, k _y = 0 the electric field E _y in the y-direction Since the strength of the component is strong and this dominantly determines the loss, it is considered that the effect of reducing the loss by canceling out-of-plane diffraction is hindered.

(２) 面外回折損失の低減のための基本的方策
ところで、フォトニック結晶中の線欠陥導波路３における導波モードは、一般に２種類の導波モードが混成して成っていると考えることができる。
すなわち、図３に示した導波モードαについていえば、この導波モードαの分散曲線のうち、横軸(２π／ａで規格化した、導波路長手方向(ｙ方向)のBloch波数 k_{y Bloch}の値が０に近い領域及び０．５に近い領域においてｙ方向のBloch波数k_{y Bloch}の変化に対して周波数変化が小さいのは、導波路長手方向に垂直な方向(ｘ方向)の波数成分k_xが大きく、導波路長手方向(ｙ方向)の波数成分k_yの変化が周波数の変化にあまり影響しないからである。この領域では、電界はｘ方向に進行と反射を繰り返しており、導波路のｘ方向端部ではフォトニックバンドギャップによる分布反射によって導波路に閉じ込められていると理解される。すなわち、この領域ではｘ方向におけるフォトニックバンドギャップによる光の閉じこめが支配的である。そして、ｘ方向へ進む平面波の電界は必ずy方向の成分を有するから、この領域においては、ｙ方向の電界成分E_yが大きい。 (2) Basic measures for reducing out-of-plane diffraction loss By the way, it is generally considered that the waveguide mode in the line defect waveguide 3 in the photonic crystal is a mixture of two types of waveguide modes. Can do.
That is, with regard to the waveguide mode α shown in FIG. 3, the Bloch wave number k _{y in the} longitudinal direction of the waveguide (y direction) normalized by 2π / a in the dispersion curve of the waveguide mode α. _{In the} region where the _Bloch value is close to 0 and the region close to 0.5, the frequency change is small relative to the change in the Bloch wave number k _{y Bloch} in the y direction. The wave number in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the waveguide (x direction) This is because the component k _x is large, and the change in the wave number component k _{y in} the longitudinal direction of the waveguide (y direction) does not significantly affect the change in frequency, and in this region, the electric field repeats traveling and reflecting in the x direction, It is understood that the end of the waveguide in the x direction is confined to the waveguide by distributed reflection due to the photonic band gap, that is, light confinement by the photonic band gap in the x direction is dominant in this region. And x direction Since having a plane wave electric field is always y direction component advancing, in this region, a large electric field component E _y in the y direction.

これに対し、図３において横軸の中央部の領域においてｙ方向のBloch波数 k_{y Bloch}の変化に対して周波数が直線的に変化し、その変化率が大きいのは、導波路長手方向に垂直な方向(ｘ方向)の波数成分k_xが小さく、導波路長手方向(ｙ方向)の波数成分k_yの変化が周波数の変化に直接影響するからである。この領域では、波の進行方向(±ｙ方向)に進む波数成分を大きく含んでおり、通常の光導波路で用いられる、いわゆる屈折率閉じこめにより支配されている。
このように、フォトニック結晶中の線欠陥導波路３において、フォトニックバンドギャップによる光閉じこめに対応する導波モードと、屈折率閉じこめによる導波モードとが混成して一つの導波モードを構成するメカニズムをさらに敷衍すると、次のようになる。 On the other hand, in FIG. 3, the frequency changes linearly with respect to the change in Bloch wavenumber k _{y Bloch} in the y direction in the central region of the horizontal axis, and the rate of change is large because it is perpendicular to the longitudinal direction of the waveguide. This is because the wave number component k _{x in the} long direction (x direction) is small, and the change in the wave number component k _{y in} the longitudinal direction of the waveguide (y direction) directly affects the change in frequency. This region contains a large wave number component that travels in the wave traveling direction (± y direction), and is dominated by so-called refractive index confinement used in ordinary optical waveguides.
Thus, in the line defect waveguide 3 in the photonic crystal, the waveguide mode corresponding to the optical confinement due to the photonic band gap and the waveguide mode due to the refractive index confinement are mixed to constitute one waveguide mode. The following is a further explanation of the mechanism to do this.

まず、フォトニック結晶中では、その周期性に基づいてフォトニックバンドギャップが現れる。フォトニックバンドギャップ外の許容帯における導波モードβについてみると、この導波モードβは、ｘ方向においてフォトニックバンドギャップによる分布反射を受けており、ｘ方向の波数成分k_xが大きいので、図６に示したように、ｙ方向の波数成分k_yの変化が周波数の変化にあまり影響しない。 First, in the photonic crystal, a photonic band gap appears based on the periodicity. Looking at the waveguide mode β in the tolerance band outside the photonic band gap, this waveguide mode β is subjected to distributed reflection by the photonic band gap in the x direction, and the wave number component k _{x in the} x direction is large. As shown in FIG. 6, the change in the wave number component k _y in the y direction does not significantly affect the change in frequency.

次に、線状導波路における導波モードは、一般に図６中に符号γで表されるような直線で示される屈折率閉じ込めにより支配される。なお、導波路の周期性によって波数に対して右上がりの直線であったものが折り返されて右下がりとなる。
そして、フォトニック結晶に線欠陥を導入することによって線状欠陥導波路３を形成すると、無欠陥フォトニック結晶中にあった導波モードβと線状導波路によってフォトニックバンドギャップ内に許容されることとなった導波モードγとが、両者の交差部分付近で混成し、符合αで表されるような導波モードが生じる。 Next, the waveguide mode in the linear waveguide is generally governed by refractive index confinement indicated by a straight line as represented by the symbol γ in FIG. Note that a straight line that rises to the right with respect to the wave number is folded back and falls to the right due to the periodicity of the waveguide.
When the linear defect waveguide 3 is formed by introducing a line defect into the photonic crystal, the waveguide mode β and the linear waveguide that are present in the defect-free photonic crystal are allowed in the photonic band gap. The guided wave mode γ is mixed in the vicinity of the intersection of the two, and a guided wave mode is generated as indicated by the symbol α.

かくして、混成された導波モードαでは、導波路長手方向(ｙ方向)のBloch波数 k_{y Bloch}の値が０に近い領域及び０．５に近い領域においてはフォトニックバンドギャップによる分布反射による閉じ込めが支配的となり、それ以外の中央部の領域では、屈折率閉じ込めが支配的となるのである。そして、上記(１)に述べたように、ｘ方向の電界成分E_xに基づく面外回折損失が小さいにもかかわらず、ｙ方向の電界成分E_yに基づく面外回折波による損失が大きいのは、動作点(k_{y Bloch} ＝０)では、屈折率閉じ込めよりもフォトニックバンドギャップによる分布反射による閉じ込めが支配的であるところ、かかるフォトニックバンドギャップによる分布反射による閉じ込めにより閉じ込められている光は、ｙ方向の電界成分E_yが大きいという性質に起因したものであると考えられる。
以上のような認識に立ち、本発明者らは、動作点(k_{y Bloch} ＝０)においても屈折閉じ込めにより光が閉じ込められるようにすることができれば、動作点(k_{y Bloch}＝０)におけるｙ方向の電界成分E_yの大きさを小さくすることができ、電界成分E_yに基づく面外回折波による損失を低減することができるのではないか、と考えた。 Thus, in the hybrid waveguide mode α, confinement by distributed reflection due to the photonic band gap in the region where the Bloch wavenumber k _{y Bloch in} the longitudinal direction of the waveguide (y direction) is close to 0 and in the region close to 0.5. The refractive index confinement becomes dominant in the other central region. As described in (1) above, although the out-of-plane diffraction loss based on the electric field component E _x in the x direction is small, the loss due to the out-of-plane diffraction wave based on the electric field component E _y in the y direction is large. In the operating point (k _{y Bloch} = 0), confinement due to distributed reflection by the photonic band gap is more dominant than confinement of refractive index. Is considered to be caused by the property that the electric field component E _y in the y direction is large.
Recognizing the above, the present inventors have found that if you can also so light is confined by confinement refraction at the operating point _{(k y Bloch = 0),} y at the operating point (k _{y Bloch} = 0) It was thought that the magnitude of the electric field component E _{y in} the direction could be reduced and the loss due to the out-of-plane diffracted wave based on the electric field component E _y could be reduced.

(３) 本発明は、円孔半径ｒ≧０．３２５ａとすること
そこで、本発明者らは、図６において、無欠陥フォトニック結晶における導波モードβを高周波側(図６の縦軸上方)にシフトさせることができれば、無欠陥フォトニック結晶における導波モードβと線状導波路の導波モードγとの交差が解消し、両モードの混成が生じなくなる結果、動作点(k_{y Bloch}＝０)においても屈折閉じ込めによる導波モードγを利用できるのではないか、と考え、かかる導波モードを生じるためのフォトニック結晶構造について鋭意検討を行った。 (3) The present invention sets the circular hole radius r ≧ 0.325a. Therefore, the inventors of the present invention set the waveguide mode β in the defect-free photonic crystal to the high frequency side (above the vertical axis in FIG. 6). if we) be shifted to, and eliminates the intersection of the waveguide mode γ waveguide mode β and the linear waveguide in a defect-free photonic crystal results of both modes hybrid does not occur, the operating point (k _{y Bloch} = 0), we thought that the waveguide mode γ by refraction confinement could be used, and intensively studied the photonic crystal structure for generating such a waveguide mode.

その結果、フォトニック結晶格子を構成する円孔の半径ｒを、フォトニック結晶の周期をａとして０．３２５ａ以上とすることにより、無欠陥フォトニック結晶における導波モードβと線状導波路の導波モードγとの交差が解消し、さらに好適には０．３５ａ以上であれば、無欠陥フォトニック結晶における導波モードβと線状導波路の導波モードγとの間の周波数差が十分大きくできることを見出した。すなわち、図７は、無欠陥のフォトニック結晶におけるフォトニックバンドギャップの上端周波数(図６中のｆ_Ａ)と、フォトニック結晶中に形成された導波路幅（√３）ａの線状欠陥導波路(フォトニック結晶の空気ロッドを1列取り除いた導波路)の、動作点(k_{y Bloch}＝０)における屈折率導波モードγの周波数(図６中のｆ_Ｂ)との差(ｆ_Ａ−ｆ_Ｂ)を、円孔半径に対してプロットしたものである。図７において、横軸はフォトニック結晶の周期ａ で規格化した円孔半径ｒ、縦軸はｃ／ａで規格化された周波数差ｆ_Ａ−ｆ_Ｂである。 As a result, by setting the radius r of the circular holes constituting the photonic crystal lattice to 0.325a or more, where the period of the photonic crystal is a, the waveguide mode β in the defect-free photonic crystal and the linear waveguide If the crossing with the waveguide mode γ is eliminated and more preferably 0.35a or more, the frequency difference between the waveguide mode β in the defect-free photonic crystal and the waveguide mode γ of the linear waveguide is I found that I could make it big enough. That is, FIG. 7 shows a linear defect having a photonic band gap upper end frequency (f _{A in} FIG. 6) in a defect-free photonic crystal and a waveguide width (√3) a formed in the photonic crystal. The difference (f) between the waveguide (the waveguide obtained by removing one row of photonic crystal air rods) and the frequency (f _{B in} FIG. 6) of the refractive index waveguide mode γ at the operating point (k _{y Bloch} = 0). _A -f _B ) is plotted against the hole radius. In FIG. 7, the horizontal axis represents the circular hole radius r normalized by the period a 1 of the photonic crystal, and the vertical axis represents the frequency difference f _A −f _B normalized by c / a.

図７で、縦軸の数値が負の領域、すなわち、円孔２の半径ｒが０．３２５ａ未満の領域では、導波モードβと線状導波路の導波モードγとの交差が起こっていることになる。しかし、円孔半径が０．３２５ａ以上の領域では、交差がなくなり、より好適には円孔半径が０．３５ａ以上の領域で、十分な周波数差が確保できることがわかる。
なお、ｒ≧０．５ａとすると、隣接する円孔２が接してしまうので、ｒ＜０．５ａでなければならないことはいうまでもない。 In FIG. 7, in the region where the numerical value on the vertical axis is negative, that is, in the region where the radius r of the circular hole 2 is less than 0.325a, the waveguide mode β intersects with the waveguide mode γ of the linear waveguide. Will be. However, in the region where the radius of the circular hole is 0.325a or more, there is no crossing, and more preferably, a sufficient frequency difference can be secured in the region where the radius of the circular hole is 0.35a or more.
If r ≧ 0.5a, the adjacent circular holes 2 come into contact with each other, and needless to say, r <0.5a.

(４) 本発明の作用効果
かかる円孔半径を具備したフォトニック結晶線欠陥導波路では、円孔２の半径が０．３２５ａ以上、好ましくは０．３５ａ以上とされていることにより、無欠陥フォトニック結晶における導波モードβと線状導波路３の導波モードγとの交差が解消されている。このため、導波路の閉じ込めが屈折率閉じ込めに支配されることとなり、導波路の長手方向（ｙ方向)の電界成分E_yの大きさが小さくなる。
そして、本発明では、さらに、フォトニック結晶による導波路の長手方向における分布帰還が、二次の分布帰還となるようにフォトニック結晶の周期をａが設定されている。具体的には、真空中での光の波長をλ、半導体コア層の屈折率ｎと空孔の半径ｒ、線欠陥導波路を挟んで配列した空孔の中心間の距離として定義される導波路の幅ｄとで決まる導波路の実効屈折率をｎ_effとしたとき、導波路中での光の波長はλ／n_effで表されるから、２次の分布帰還が起こる条件は、導波路の周期性と光の導波路中での波長が等しいこと、すなわち、ａ＝λ／n_effで表される。なお、本発明で用いる最低次の屈折率導波モードのn_effは、通常２．８〜３．３である。 (4) Effects of the present invention In the photonic crystal line defect waveguide having such a circular hole radius, the radius of the circular hole 2 is 0.325a or more, preferably 0.35a or more, so that there is no defect. The intersection of the waveguide mode β in the photonic crystal and the waveguide mode γ of the linear waveguide 3 is eliminated. For this reason, the confinement of the waveguide is dominated by the refractive index confinement, and the magnitude of the electric field component E _{y in} the longitudinal direction (y direction) of the waveguide is reduced.
In the present invention, the period of the photonic crystal is set so that the distributed feedback in the longitudinal direction of the waveguide by the photonic crystal becomes a secondary distributed feedback. Specifically, the wavelength of light in a vacuum is defined as λ, the refractive index n of the semiconductor core layer and the radius r of the hole, and the distance defined between the centers of the holes arranged with the line defect waveguide in between. When the effective refractive index of the waveguide determined by the waveguide width d is n _eff , the wavelength of light in the waveguide is expressed by λ / n _eff. The periodicity of the waveguide and the wavelength of light in the waveguide are equal, that is, a = λ / n _eff . The n _eff of the lowest-order refractive index guided mode used in the present invention is usually 2.8 to 3.3.

このように、フォトニック結晶による導波路の長手方向における分布帰還が、二次の分布帰還となるようにフォトニック結晶の周期がａに設定されている場合、導波路長手方向を互いに逆方向に進行する進行波と後退波とが、ともに同一の波数条件(k_y＝０)で回折波を生ずる。かかる回折波の強度は、導波路の長手方向(ｙ方向)の電界強度E_yが非常に小さくされているので、実質上導波路の長手方向に垂直な方向(ｘ方向)の電界成分E_xの寄与のみで決まるところ、導波路の長手方向に垂直な方向(ｘ方向)の成分E_xに基づく回折波は進行波と後退波とで逆位相となって打ち消しあい、外部への損失とはならない。
よって、本発明によれば、半導体クラッド層を有して積層方向の屈折率差が十分とれないような構造であっても、面外回折損が抑えられた半導体レーザを提供することが可能である。 Thus, when the period of the photonic crystal is set to a so that the distributed feedback in the longitudinal direction of the waveguide by the photonic crystal becomes a secondary distributed feedback, the longitudinal directions of the waveguides are opposite to each other. Both the traveling wave and the backward wave that travels produce a diffracted wave under the same wave number condition (k _y = 0). The intensity of the diffracted wave is such that the electric field intensity E _{y in} the longitudinal direction (y direction) of the waveguide is very small, and therefore the electric field component E _{x in the} direction (x direction) substantially perpendicular to the longitudinal direction of the waveguide. The diffraction wave based on the component E _x in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the waveguide (x direction) cancels out in the opposite phase between the traveling wave and the backward wave, and what is the loss to the outside? Don't be.
Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor laser in which out-of-plane diffraction loss is suppressed even when the structure has a semiconductor clad layer and the refractive index difference in the stacking direction is not sufficient. is there.

(５) 本発明の効果の検証
図８は、本発明の効果を確認するため、円孔半径ｒ＝０．３８ａ、導波路幅ｄ＝１．５３ａの場合について３次元ＦＤＴＤ法を用いて解析した導波路の分散関係を示す。図８において、横軸は‘２π/ａ’で規格化されたy方向(導波路の長手方向)のBloch波数、縦軸は‘ｃ／ａ’で規格化された周波数である。
また、図９は、この場合における波数成分の分布である。図９において、k_y＝０のほかにも、k_y軸に垂直な方向に２π/ａおきに電界成分が現れているのは、フォトニック結晶の周期性に基づく回折波が存在することによるものである。 (5) Verification of the effect of the present invention FIG. 8 shows an analysis using the three-dimensional FDTD method in the case of the circular hole radius r = 0.38a and the waveguide width d = 1.53a in order to confirm the effect of the present invention. The dispersion relation of the waveguide is shown. In FIG. 8, the horizontal axis represents the Bloch wave number in the y direction (longitudinal direction of the waveguide) normalized by '2π / a', and the vertical axis represents the frequency normalized by 'c / a'.
FIG. 9 shows the distribution of wave number components in this case. In FIG. 9, in addition to k _y = 0, the electric field component appears every 2π / a in the direction perpendicular to the k _y axis because there is a diffracted wave based on the periodicity of the photonic crystal. Is.

図９からわかるように、導波路の長手方向に垂直な方向(ｘ方向)の電界E_xのk_y＝０の成分は、(１)で解析したケースと同様、０である。また、図８からわかるように、本ケースでは、線欠陥導波路の導波モードは導波路の長手方向(ｙ方向)のBloch波数k_{y Bloch} ＝０においても、屈折率閉じ込め性である。すなわち、分散曲線が波数の増大に対して直線的に減少する。なお、これはもともと波数に対して右上がりの直線であったものが、導波路の周期性によって折り返されて右下がりとなったものである。
このような屈折率閉じ込めのモードでは、図９(ｂ)に示されるように導波路の長手方向(ｙ方向)の電界E_yのk_y＝０成分は非常に小さくなっている。 As can be seen from FIG. 9, the component of k _y = 0 in the electric field E _{x in} the direction (x direction) perpendicular to the longitudinal direction of the waveguide is 0, as in the case analyzed in (1). In addition, as can be seen from FIG. 8, in this case, the waveguide mode of the line defect waveguide is refractive index confinement even at Bloch wavenumber k _{y Bloch} = 0 in the longitudinal direction (y direction) of the waveguide. That is, the dispersion curve decreases linearly with increasing wave number. Note that this was originally a straight line rising to the right with respect to the wave number, but it turned back to the right due to the periodicity of the waveguide.
In such a refractive index confinement mode, as shown in FIG. 9B, the k _y = 0 component of the electric field E _{y in} the longitudinal direction (y direction) of the waveguide is very small.

図１０は、図８、図９の場合において、３次元ＦＤＴＤ法によって求められたk_yBloch＝０付近の面外損失の大きさを示したものである。図１０から明らかなように、面外損失はk_yBloch＝０付近で局所的に小さくなっており、(１)で検討した図５の場合と比較すると、k_{y Bloch}＝０において２桁程度の損失低減が実現されている。このように、本発明に基づく面外損失の抑制は周波数(波長)軸上の非常に狭い領域でのみ起こる。
さらに様々な導波路幅について円孔半径を変化させたときの面外損失の大きさを調べた。図１１は面外損失の円孔半径依存性を示している。 FIG. 10 shows the magnitude of the out-of-plane loss near k _yBloch = 0 obtained by the three-dimensional FDTD method in the cases of FIGS. As is apparent from FIG. 10, the out-of-plane loss is locally small in the vicinity of k _yBloch = 0, which is about two digits at k _{y Bloch} = 0 as compared with the case of FIG. 5 studied in (1). Loss reduction is realized. Thus, out-of-plane loss suppression according to the present invention occurs only in a very narrow region on the frequency (wavelength) axis.
Furthermore, the magnitude of the out-of-plane loss when the circular hole radius was changed for various waveguide widths was investigated. FIG. 11 shows the dependence of the out-of-plane loss on the hole radius.

図１１によれば、線欠陥導波路の幅(ｄ)が１．９４ａの場合は、円孔半径にかかわらず、損失低減は認められない。しかし、導波路の幅(ｄ)を１．８４ａとした場合においては、円孔半径の増大に伴って損失低減効果が得られるようになり、たとえば円孔半径が０．４ａの場合には、導波路の幅が１．９４ａの場合と比較して約一桁程度の低減がされている。また、図１１と図７とを併せて考察すると、導波路幅(ｄ)が１．８４ａ、１．７３（＝（√３）ａ）、１．６２ａ、１．５２ａの場合における損失低減の効果は、導波モードの交差が起こらなくなる円孔半径が０．３２５ａ以上の領域で特に顕著に現れるようになり、０．３５ａ以上の領域では、導波モード間の周波数差が大きく、十分な損失低減効果を発揮していることがわかる。また、導波路幅(ｄ)が１．７３ａ(＝（√３）ａ）以下の場合は、円孔半径が０．３２５ａ以上の領域における損失低減の効果が特に顕著である。   According to FIG. 11, when the width (d) of the line defect waveguide is 1.94a, loss reduction is not recognized regardless of the circular hole radius. However, when the width (d) of the waveguide is 1.84a, a loss reduction effect can be obtained as the circular hole radius increases. For example, when the circular hole radius is 0.4a, Compared with the case where the width of the waveguide is 1.94a, the reduction is about an order of magnitude. Further, considering FIG. 11 and FIG. 7 together, it is possible to reduce the loss when the waveguide width (d) is 1.84a, 1.73 (= (√3) a), 1.62a, 1.52a. The effect becomes particularly prominent in the region where the radius of the circular hole where the crossing of the waveguide modes does not occur is 0.325a or more, and in the region of 0.35a or more, the frequency difference between the waveguide modes is large and sufficient. It turns out that the loss reduction effect is demonstrated. In addition, when the waveguide width (d) is 1.73a (= (√3) a) or less, the effect of reducing the loss in the region where the circular hole radius is 0.325a or more is particularly remarkable.

(6) 本発明の別の効果
動作点(k_{y Bloch} ＝０)で局所的に面外損失を小さくできるという性質は、とりわけレーザのように単一の動作点で動作するデバイスでは、動作点(k_{y Bloch} ＝０)での良好な特性が確保されるとともに、動作点以外の共振(k_y ＝０以外の部分)については面外損失が相対的に大きいために閾値利得差が大きくなり、レーザ発振の単一縦モード性が強固になるという点で好適である。 (6) Another effect of the present invention The property that the out-of-plane loss can be locally reduced at the operating point (k _{y Bloch} = 0) is particularly high in a device operating at a single operating point such as a laser. Good characteristics at (k _{y Bloch} = 0) are secured, and the threshold gain difference becomes large for resonances other than the operating point (portions other than k _y = 0) because the out-of-plane loss is relatively large. It is preferable in that the single longitudinal mode property of the laser oscillation is strengthened.

すなわち、動作点(k_{y Bloch} ＝０)以外の部分は(光がｙ方向、すなわち導波路の長手方向に伝搬し、端部で反射して共振を生じる)ファブリペローモードによる発振に対応するものであるところ、本発明では動作点(k_{y Bloch} ＝０)以外の部分では面外回折による損失が大きいため、ファブリペローモードによる発振が抑えられるので、シングルモード発振を得ることが容易である。
また、一般にDFBレーザでは同一波数の動作点(k_{y Bloch} ＝０)において、ストップバンドを挟んで低周波側と高周波側にそれぞれ導波モードが存在し、これらが競合してシングルモード性が損なわれるという問題があるところ、本発明では、低周波側の導波モードについてのみ面外回折による損失が低減されているため、低周波側の導波モードにて選択的に発振が起こる。この点からもシングルモード発振を得ることが容易である。 That is, the part other than the operating point (k _{y Bloch} = 0) corresponds to the oscillation in the Fabry-Perot mode (the light propagates in the y direction, that is, the longitudinal direction of the waveguide and is reflected at the end portion to cause resonance). However, in the present invention, since loss due to out-of-plane diffraction is large in portions other than the operating point (k _{y Bloch} = 0), oscillation in the Fabry-Perot mode can be suppressed, and it is easy to obtain single mode oscillation.
In general, in the DFB laser, there are waveguide modes on the low frequency side and the high frequency side across the stop band at the same wave number operating point (k _{y Bloch} = 0). However, in the present invention, the loss due to out-of-plane diffraction is reduced only for the low-frequency waveguide mode, and therefore oscillation occurs selectively in the low-frequency waveguide mode. From this point, it is easy to obtain single mode oscillation.

（第１の実施の形態）
図１２は、本発明の第１実施形態に係る半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
まず、図１２（ａ）に示すように、n-InP基板１０上に、下部クラッド層１１をなすn-InP層と、コア層１２をなすGaInAsP多重量子井戸（ＭＱＷ）１２ａ及びこのＭＱＷよりエネルギーバンドギャップが大きなGaInAsP分離閉じ込め層１２ｂと、上部クラッド層１３をなすp-InP層と、電極とのコンタクト層１４をなすp⁺-GaInAs層がこの順に積層されている。 (First embodiment)
FIG. 12 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
First, as shown in FIG. 12A, on the n-InP substrate 10, an n-InP layer forming the lower cladding layer 11, a GaInAsP multiple quantum well (MQW) 12a forming the core layer 12, and energy from this MQW. A GaInAsP isolation confinement layer 12b having a large band gap, a p-InP layer forming the upper cladding layer 13, and a p ⁺ -GaInAs layer forming the contact layer 14 with the electrode are stacked in this order.

コア層１２の厚さは０．６０μｍ、上部クラッド層１３の厚さは１．５０μｍ、コンタクト層１４の厚さは０．３０μｍである。GaInAsP多重量子井戸層１３ａのフォトルミネッセンスピークの波長は１．５５μｍである。
なお、本実施形態例では、コア層１２としてGaInAsP多重量子井戸１２ａ及びGaInAsP分離閉じ込め層１２ｂからなるものを示したが、バルク半導体からなるスラブ導波路であってもよい。
材料や波長は上記したものに限定されることはなく、また、化合物半導体全般をコア層およびクラッド層として用いることができ、発振波長も材料に応じて任意に設計可能である。 The core layer 12 has a thickness of 0.60 μm, the upper cladding layer 13 has a thickness of 1.50 μm, and the contact layer 14 has a thickness of 0.30 μm. The wavelength of the photoluminescence peak of the GaInAsP multiple quantum well layer 13a is 1.55 μm.
In the present embodiment, the core layer 12 is composed of the GaInAsP multiple quantum well 12a and the GaInAsP separate confinement layer 12b, but may be a slab waveguide made of a bulk semiconductor.
The materials and wavelengths are not limited to those described above, and compound semiconductors in general can be used as the core layer and the clad layer, and the oscillation wavelength can be arbitrarily designed according to the materials.

以上のような半導体層の積層構造はＭＯＣＶＤ（Metal OrganicChemical Vapor Deposition）やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）のような半導体結晶成長に用いられる技術により成長される。
その成長の後に、図１２（ｂ）に示すように、二酸化シリコン、窒化シリコンなどの誘電体膜１５を形成し、続いて、誘電体膜１５上にレジスト（不図示）を塗布し、これを紫外線、電子線などにより露光し、さらに現像し、ついでレジストをマスクに使用して誘電体膜１５をエッチングして図１に示した円孔２を形成するための窓１５ａを形成し、その後にマスクを除去する。なお、窓１５ａが形成された誘電体膜１５はエッチング用マスクとして使用されるが、誘電体膜１５の代わりにレジストを用いてもよい。
さらに、図１２（ｃ）に示すように、誘電体膜１５をマスクに使用して、コンタクト層１５、上部クラッド層１３、コア層１２及び下部クラッド層１１をエッチングして円孔２を形成する。エッチングには、ＲＩＥ（Reactiv Ion Etching）やＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductively Coupled Plasma RIE)を用いることができる。
円孔２を形成した後に、マスクを除去すると、図１３（ａ）の斜視図に示すような状態となる。 The laminated structure of the semiconductor layers as described above is grown by a technique used for semiconductor crystal growth such as MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) or MBE (Molecular Beam Epitaxy).
After the growth, as shown in FIG. 12B, a dielectric film 15 such as silicon dioxide or silicon nitride is formed, and then a resist (not shown) is applied on the dielectric film 15, The window 15a for forming the circular hole 2 shown in FIG. 1 is formed by exposing the dielectric film 15 using ultraviolet light, an electron beam or the like, further developing, and then etching the dielectric film 15 using a resist as a mask. Remove the mask. The dielectric film 15 in which the window 15a is formed is used as an etching mask, but a resist may be used instead of the dielectric film 15.
Further, as shown in FIG. 12C, using the dielectric film 15 as a mask, the contact layer 15, the upper cladding layer 13, the core layer 12 and the lower cladding layer 11 are etched to form the circular holes 2. . For etching, RIE (Reactiv Ion Etching) or ICP-RIE (Inductively Coupled Plasma RIE) can be used.
When the mask is removed after the circular hole 2 is formed, the state shown in the perspective view of FIG.

さらに、ＰＣＶＤ（Plasma CVD)などの方法により窒化シリコン（SiN_x）を異方性成長させて誘電体層１６を形成する。これにより、誘電体層１６はコンタクト層１４を覆うとともに円孔２を上から塞ぐ。この後に、図１２（ｄ）に示すように、誘電体層１６の上にフォトレジスト１７を塗布し、これを露光、現像して線欠陥導波路３の直上に窓１７ａを形成する。続いて、窓１７ａを通してＲＩＥなどにより誘電体層１６をエッチングして開口１６ａを形成し、これにより線欠陥導波路３の直上にあるコンタクト層４を露出させる。この後に、図１２（ｅ）に示すように、レジスト１７を除去する。 Further, the dielectric layer 16 is formed by anisotropically growing silicon nitride (SiN _x ) by a method such as PCVD (plasma CVD). Thereby, the dielectric layer 16 covers the contact layer 14 and closes the circular hole 2 from above. Thereafter, as shown in FIG. 12D, a photoresist 17 is applied on the dielectric layer 16, and this is exposed and developed to form a window 17 a immediately above the line defect waveguide 3. Subsequently, the dielectric layer 16 is etched by RIE or the like through the window 17a to form an opening 16a, thereby exposing the contact layer 4 immediately above the line defect waveguide 3. Thereafter, as shown in FIG. 12E, the resist 17 is removed.

さらに、図１２（ｆ）に示すように、電子線蒸着や抵抗加熱蒸着のような方法を用いて、Au/AuZnからなる第１電極１８を形成する。この第１電極１８は、誘電体層１６の開口１６ａを通してのみコンタクト層１４に接続される。なお、さらにそのAu/AuZnの上にTiPtAu、Auのような層を形成して電極を多層化してもよい。
その後に、電子線蒸着や抵抗加熱蒸着のような方法を用いて、基板１０の下面にAuGeNiからなる第２電極１９を形成する。 Further, as shown in FIG. 12F, the first electrode 18 made of Au / AuZn is formed by using a method such as electron beam evaporation or resistance heating evaporation. The first electrode 18 is connected to the contact layer 14 only through the opening 16 a of the dielectric layer 16. Further, a layer such as TiPtAu or Au may be formed on the Au / AuZn to form a multilayer electrode.
Thereafter, the second electrode 19 made of AuGeNi is formed on the lower surface of the substrate 10 using a method such as electron beam evaporation or resistance heating evaporation.

続いて、基板１０とその上下の層を劈開することにより導波路端面を形成する。そして、端面に低反射コート（不図示）を形成する。低反射コートは、ＰＣＶＤ(Plasma Chemical Vapor Deposition)やＥＣＲ(Electron Cyclotron Resonance)スパッタなどの一般的に半導体の端面コーティングに用いられている方法を利用することができる。
これにより形成された半導体レーザ２０は図１３（ｂ）に示すような斜視図となる。
以上のように積層構造に三角格子状の円孔２を複数配置することで２次元フォトニック結晶および線欠陥導波路が形成される。 Subsequently, the end face of the waveguide is formed by cleaving the substrate 10 and its upper and lower layers. Then, a low reflection coat (not shown) is formed on the end face. For the low reflection coating, a method generally used for coating an end face of a semiconductor such as PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition) or ECR (Electron Cyclotron Resonance) sputtering can be used.
The semiconductor laser 20 thus formed is a perspective view as shown in FIG.
As described above, by arranging a plurality of triangular lattice-shaped circular holes 2 in the laminated structure, a two-dimensional photonic crystal and a line defect waveguide are formed.

フォトニック結晶導波路の設計は次のように行うことができる。
(i) まずフォトニック結晶の格子定数aに対する円孔の半径rを導波損失が低減できる範囲で適当に決定する。ここではｒ＝０．３７ａとした。
(ii)次に、導波路３の幅ｄは１．８３ａよりも小さい値に選ぶ。なお、小さい値に選択した方が、高次横モードの発生を防止できることができる点で有利である。ここでは１．５１ａとした。 The design of the photonic crystal waveguide can be performed as follows.
(i) First, the radius r of the circular hole with respect to the lattice constant a of the photonic crystal is appropriately determined within a range in which the waveguide loss can be reduced. Here, r = 0.37a.
(ii) Next, the width d of the waveguide 3 is selected to be smaller than 1.83a. Note that it is advantageous to select a smaller value in that it is possible to prevent the occurrence of a higher-order transverse mode. Here, it was set to 1.51a.

(iii)これらの値を用いて、格子定数ａを基準とした単位系でＦＤＴＤ法のような数値解析法を用いて導波路の分散関係を求める。なお、ここでａが不定である限り積層構造の大きさが不定となるが、まずは適当な値を仮定して計算を行い、ａが決定された後で大きく誤差があるようならそのａを基準として積層構造を仮定しなおして再度計算を行えばよい。
図１４は上に示した構造に対する分散関係である。動作点は図中の円で示された点(k_yBloch＝０)であるから、この点の周波数０．３４４ｃ／ａ(周波数軸の切片)が所望のレーザ発振周波数ｆ（＝ｃ／λ）になるようにａを決定する。ここでは、レーザ発振波長を１．５５μｍにするために格子定数ａを０．５３μｍとする。このａを用いれば円孔の半径はｒ＝０．３７ａ＝０．１９６μｍ、導波路幅ｄは、ｄ＝１．５１ａ＝０．８μｍとなる。 (iii) Using these values, the dispersion relation of the waveguide is obtained using a numerical analysis method such as the FDTD method in a unit system based on the lattice constant a. Here, as long as a is indefinite, the size of the laminated structure is indefinite. First, calculation is performed assuming an appropriate value, and if there is a large error after a is determined, a is used as a reference. Assuming that the laminated structure is assumed again, the calculation may be performed again.
FIG. 14 shows the dispersion relation for the structure shown above. Since the operating point is a point ( _kyBloch = 0) indicated by a circle in the figure, the frequency 0.344 c / a (intercept of the frequency axis) at this point is a desired laser oscillation frequency f (= c / λ). A is determined so that Here, in order to set the laser oscillation wavelength to 1.55 μm, the lattice constant a is set to 0.53 μm. If a is used, the radius of the circular hole is r = 0.37a = 0.196 μm, and the waveguide width d is d = 1.51a = 0.8 μm.

ここで、実効屈折率n_effについて述べる。真空中での光の波長をλとした場合に、導波路中での光の波長はλ/n_effで表される。このn_effを用いると、２次の分布帰還が起こる条件は、導波路の周期性と光の導波路中での波長が等しいことから、ａ＝λ/n_effで表される。一方で導波路のk_yBloch＝０における実効屈折率n_effは、前進波であるk_y＝２λ／ａの成分に着目すると、n_eff＝λk_y／２π＝ck_y／２πｆ＝c／ａｆで定義される。つまり、図１３の動作点周波数の数字の読み(周波数軸の切片:f/(c/a)）０．３４４は、実効屈折率の逆数（１／n_eff)に相当する。このことから、前記のように発振周波数からａを決定することとａ＝λ/n_effからａを決定することは等価である。なお、本発明で用いる最低次の屈折率導波モードのn_effは、通常２．８〜３．３である。 Here, the effective refractive index n _eff will be described. When the wavelength of light in vacuum is λ, the wavelength of light in the waveguide is expressed by λ / n _eff . When this n _eff is used, the condition in which the second-order distributed feedback occurs is represented by a = λ / n _eff because the periodicity of the waveguide and the wavelength of the light in the waveguide are equal. On the other hand the effective refractive index n _eff of _k yBloch = 0 of the waveguide, focusing on the component of a forward wave k _y = 2λ / a, with _{n eff = λk y / 2π =} ck y / 2πf = c / af Defined. In other words, the numerical reading of the operating point frequency in FIG. 13 (intercept of frequency axis: f / (c / a)) 0.344 corresponds to the reciprocal of the effective refractive index (1 / n _eff ). From this, it is equivalent to determine a from the oscillation frequency as described above and to determine a from a = λ / n _eff . The n _eff of the lowest-order refractive index guided mode used in the present invention is usually 2.8 to 3.3.

以上の構造では、コア層１２の上下に半導体クラッド層１１，１３が設けられているため、半導体クラッド層１１，１３を通じた電流注入が可能である。半導体クラッド層１１，１３は空気クラッドに比べて熱抵抗が低く、高い飽和パワーでの発振が可能である。
電極を通じてコンタクト層１４より注入される正孔と下部クラッド層１１より注入される電子がコア層１２中の多重量子井戸で結合することにより発光が起こる。既に述べた原理により、この構造は分布帰還形の光共振器として動作するため、レーザ発振が起こる。半導体クラッド層１１，１３の存在により空気クラッドに比べて熱抵抗が低く、高い飽和パワーでの発振が可能である。発振したレーザ光は線欠陥導波路３の端面より取り出すことができる。この構造では、導波路幅ｄを狭くすることにより、高次横モードの影響を押さえた動作が可能である。 In the above structure, since the semiconductor cladding layers 11 and 13 are provided above and below the core layer 12, current injection through the semiconductor cladding layers 11 and 13 is possible. The semiconductor cladding layers 11 and 13 have lower thermal resistance than air cladding, and can oscillate with high saturation power.
Light emission occurs when holes injected from the contact layer 14 through the electrode and electrons injected from the lower cladding layer 11 are combined in the multiple quantum well in the core layer 12. Based on the principle already described, this structure operates as a distributed feedback optical resonator, so that laser oscillation occurs. Due to the presence of the semiconductor clad layers 11 and 13, the thermal resistance is lower than that of the air clad, and oscillation with high saturation power is possible. The oscillated laser light can be extracted from the end face of the line defect waveguide 3. In this structure, by reducing the waveguide width d, an operation that suppresses the influence of the higher-order transverse mode is possible.

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施例として図２に示す構造を採用する。
即ち、本実施形態例は、第１実施形態の場合と比較して、上下の電極１８，１９がない点が異なっている。
本実施形態に係るレーザは、光励起で動作する。励起光源としては１．５５μｍより短波の固体レーザや半導体レーザを用いることができる。励起は積層構造に対して垂直な方向から行うことができる。励起光によって与えられたエネルギーによりコア層１２が発光する。既に述べた原理により、この構造は光共振器として動作するため、レーザ発振が起こる。発振したレーザ光は導波路の端面より取り出すことができる。
このレーザでは半導体をクラッドとして用いているために従来の空気クラッドのものに比べて熱抵抗が低く、結果として高いパワーまで飽和することなく使用することができる。 (Second Embodiment)
The structure shown in FIG. 2 is adopted as a second embodiment of the present invention.
That is, this embodiment is different from the first embodiment in that there are no upper and lower electrodes 18 and 19.
The laser according to this embodiment operates by optical excitation. As an excitation light source, a solid-state laser or a semiconductor laser having a wavelength shorter than 1.55 μm can be used. Excitation can be performed from a direction perpendicular to the laminated structure. The core layer 12 emits light by the energy given by the excitation light. By this principle, this structure operates as an optical resonator, so that laser oscillation occurs. The oscillated laser light can be extracted from the end face of the waveguide.
In this laser, since a semiconductor is used as a clad, the thermal resistance is lower than that of a conventional air clad, and as a result, even a high power can be used without being saturated.

（第３の実施の形態）
図１５は、本発明に係る第３実施形態を示す半導体レーザの斜視図であり、図１３と同じ符号は同じ要素を示している。
図１５において、第１実施形態に示した半導体レーザ部２０を構成する基板１０上には、半導体レーザ部２０の出力端、即ち線欠陥導波路３の端の延長上にパッシブのハイメサ導波路をもつ外接導波路３０が集積されている。 (Third embodiment)
FIG. 15 is a perspective view of a semiconductor laser showing a third embodiment according to the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 13 denote the same elements.
In FIG. 15, a passive high-mesa waveguide is provided on the substrate 10 constituting the semiconductor laser unit 20 shown in the first embodiment on the extension of the output end of the semiconductor laser unit 20, that is, the end of the line defect waveguide 3. A circumscribed waveguide 30 is integrated.

外接導波路３０は、半導体レーザ部２０と同様に基板１上に略ストライプ構造に形成され、下部クラッド層３１と、コア層３２及び上部クラッド層３３が順に積層されている。コア層３２は、レーザ光に対して吸収が生じない材料、即ち半導体レーザ部２０のコア層１２と実質的に同じか又はそれ以上のエネルギーバンドギャップを有する材料、例えばGaInAsPから構成されている。また、下部クラッド層３１と上部クラッド層３３のそれぞれは、半導体レーザ部２０の下部クラッド層１１と上部クラッド層１３のそれぞれと同様な材料から構成されている。   The circumscribing waveguide 30 is formed in a substantially striped structure on the substrate 1 like the semiconductor laser unit 20, and a lower cladding layer 31, a core layer 32, and an upper cladding layer 33 are sequentially stacked. The core layer 32 is made of a material that does not absorb laser light, that is, a material having an energy band gap substantially equal to or greater than that of the core layer 12 of the semiconductor laser unit 20, for example, GaInAsP. Each of the lower cladding layer 31 and the upper cladding layer 33 is made of the same material as each of the lower cladding layer 11 and the upper cladding layer 13 of the semiconductor laser unit 20.

ハイメサリッジ導波路の外接導波路３０の幅は、半導体レーザ部２０の線欠陥導波路３との接続部においては線欠陥導波路9とほぼ等しい例えば０．８μｍであり、その接続部から離れるに従って幅が漸次変化するスポットサイズ変換部３４を具備している。かかるスポットサイズ変換部３４により、その内部を伝搬するレーザ光は損失を受けることなく、レーザのスポット径が断熱的に変化する。スポットサイズ変換部３４からレーザ光出射端寄りにある外接導波路３０の導波路幅を１．５μｍ程度まで広げると、横方向のモード径は縦方向のモード径にほぼ近づくため、出射光の遠視野が狭くなり、レンズ等を用いた光ファイバへの結合効率が高くなる点で、好適である。   The width of the circumscribing waveguide 30 of the high-mesa ridge waveguide is, for example, 0.8 μm, which is substantially equal to the line defect waveguide 9 at the connection portion of the semiconductor laser section 20 with the line defect waveguide 3, and the width increases as the distance from the connection portion increases. Is provided with a spot size conversion unit 34 that gradually changes. The spot size conversion unit 34 adiabatically changes the laser spot diameter without receiving any loss of the laser light propagating therethrough. When the waveguide width of the circumscribing waveguide 30 near the laser beam emission end from the spot size conversion unit 34 is increased to about 1.5 μm, the transverse mode diameter is substantially close to the longitudinal mode diameter. This is preferable in that the field of view is narrowed and the coupling efficiency to an optical fiber using a lens or the like is increased.

外接導波路３０において、例えば半導体レーザ部２０との接続部からスポットサイズ変換部３４までの長さは２μｍ、スポットサイズ変換部３４の長さは５μｍとした。
なお、スポットサイズ変換部３４の長さと変換効率の関係を示す図１６からわかるように、スポットサイズ変換部３４の長さを３μｍ以上とすると低損失でモード径を変化させることができる。スポットサイズ変換部の先には均一幅の導波路３５が形成されている。この部分の長さは適当でよく、劈開端面形成の位置精度を考慮して決定する。 In the circumscribed waveguide 30, for example, the length from the connection portion with the semiconductor laser unit 20 to the spot size conversion unit 34 is 2 μm, and the length of the spot size conversion unit 34 is 5 μm.
As can be seen from FIG. 16 showing the relationship between the length of the spot size conversion unit 34 and the conversion efficiency, the mode diameter can be changed with low loss when the length of the spot size conversion unit 34 is 3 μm or more. A waveguide 35 having a uniform width is formed at the tip of the spot size conversion unit. The length of this portion may be appropriate, and is determined in consideration of the positional accuracy of cleavage end face formation.

次に、外接導波路３０を集積した半導体レーザ部２０の作製方法を簡単に説明する。
まず、n-InPからなる半導体基板１０上に、半導体レーザ部２０の下部クラッド層１１、３１となるn-InP層と、コア層１２となるGaInAsP多重量子井戸１２ａ及びGaInAsP分離閉じ込め層１２ｂと、上部クラッド層１３となるp-InP層と、コンタクト層１４となるp⁺-GaInAs層をＭＯＣＶＤやＭＢＥで成長する。 Next, a method for manufacturing the semiconductor laser unit 20 in which the circumscribed waveguide 30 is integrated will be briefly described.
First, on a semiconductor substrate 10 made of n-InP, an n-InP layer that becomes the lower cladding layers 11 and 31 of the semiconductor laser section 20, a GaInAsP multiple quantum well 12a and a GaInAsP separation confinement layer 12b that become the core layer 12, and A p-InP layer to be the upper cladding layer 13 and a p ⁺ -GaInAs layer to be the contact layer 14 are grown by MOCVD or MBE.

次に、半導体レーザ部２０を形成する領域の前方であって外接導波路部３０及びその周囲に相当する領域にあるコンタクト層１４、上部クラッド層１３及びコア層１２を、フォトリソグラフィーとＩＣＰ−ＲＩＥを用いて除去する。これにより、半導体レーザ部２０の端縁が定められる。
その後、突合せ接合成長法を用いて外接導波路部３０のコア層３２及び上部クラッド層３３を成長する。なお、成長に際して、コンタクト層１４が存在する領域をシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の誘電体膜で覆ってこの領域の成長を防止する。 Next, the contact layer 14, the upper cladding layer 13, and the core layer 12 that are in front of the region where the semiconductor laser unit 20 is to be formed and in the region corresponding to the periphery of the circumscribed waveguide unit 30 are formed by photolithography and ICP-RIE. To remove. Thereby, the edge of the semiconductor laser part 20 is defined.
Thereafter, the core layer 32 and the upper clad layer 33 of the circumscribed waveguide section 30 are grown using a butt junction growth method. During the growth, the region where the contact layer 14 exists is covered with a dielectric film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film to prevent the growth of this region.

続いて、半導体レーザ形成領域の積層構造に円孔２を形成し、同時に、その前の領域の外接導波路３０のパターンを形成する。この場合、電子線描画を用いたリソグラフィーによって作られたレジストパターン、あるいはそれを誘電体膜にエッチングで転写したものをマスクとして使用し、さらにマスクに覆われない領域をＩＣＰ−ＲＩＥエッチングを行って円孔２の形成と外接導波路３０を形成する。なお、エッチングにより形成された円孔２の深さと外接導波路３０の高さはほぼ同一となる。   Subsequently, the circular hole 2 is formed in the laminated structure of the semiconductor laser forming region, and at the same time, the pattern of the circumscribed waveguide 30 in the previous region is formed. In this case, a resist pattern created by lithography using electron beam drawing or a pattern transferred by etching on a dielectric film is used as a mask, and an area not covered by the mask is further subjected to ICP-RIE etching. The formation of the circular hole 2 and the circumscribed waveguide 30 are formed. The depth of the circular hole 2 formed by etching and the height of the circumscribed waveguide 30 are substantially the same.

円孔２を形成した半導体レーザ部２０の上に、ＰＣＶＤなどの方法を用いてSiN_x膜を成膜する。この上にフォトリソグラフィーを用いてパターニングを行い、ＲＩＥで転写することで外接導波路３０と線欠陥導波路３の上の部分のみのSiN_x膜を取り除く。
さらに、電子線蒸着や抵抗加熱蒸着のような方法を用いて上部電極１８、下部電極１９を形成する。上部電極１を形成する際には、フォトリソグラフィーによるリフトオフ工程を用いて半導体レーザ部２０部のみに上部電極１９を残す。
ついで、導波路端面を劈開により形成し、その端面に低反射コートを形成する。 A SiN _x film is formed on the semiconductor laser portion 20 in which the circular hole 2 is formed by using a method such as PCVD. On this, patterning is performed using photolithography, and transfer by RIE is performed to remove only the SiN _x film on the circumscribed waveguide 30 and the line defect waveguide 3.
Further, the upper electrode 18 and the lower electrode 19 are formed using a method such as electron beam evaporation or resistance heating evaporation. When the upper electrode 1 is formed, the upper electrode 19 is left only in the semiconductor laser portion 20 using a lift-off process by photolithography.
Next, the end face of the waveguide is formed by cleavage, and a low reflection coat is formed on the end face.

（第４の実施の形態）
図１７は、本発明に係る半導体レーザの第３実施形態を示す斜視図であり、図１３と同じ符号は同じ要素を示している。
図１７において、第１実施形態に示した半導体レーザ部２０を構成する基板１０上には、半導体レーザ部２０の出力端の前にパッシブのフォトニック結晶光回路をもつパッシブフォトニック結晶部４０が集積されている。 (Fourth embodiment)
FIG. 17 is a perspective view showing a third embodiment of the semiconductor laser according to the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 13 denote the same elements.
In FIG. 17, a passive photonic crystal unit 40 having a passive photonic crystal optical circuit in front of the output end of the semiconductor laser unit 20 is formed on the substrate 10 constituting the semiconductor laser unit 20 shown in the first embodiment. It is accumulated.

パッシブフォトニック結晶部４０は、半導体レーザ部２０で発生するレーザ光を導波するコア層４２を有し、コア層４２以外の下部クラッド層１１、上部クラッド層４３の積層構造は半導体レーザ部２０の下部クラッド層１１、上部クラッド層１３と同様である。
下部クラッド層１１、上部クラッド層４３、コア層４２には、半導体レーザ部２０と同様に三角状格子を有する複数の円孔２ａが形成され、その中には、半導体レーザ部２０の線欠陥導波路３の延長上に第２の線欠陥導波路３ａが配置されている。パッシブフォトニック結晶部４０の線欠陥導波路３ａの幅や円孔２ａからなる格子定数は、半導体レーザ部２０のそれと同一としてもよいし、所望の光回路特性に応じて最適なものを任意に選択してもよい。
この構造では半導体レーザ部２０から出力されるレーザ光が直接にパッシブフォトニック結晶部４０の光回路に接続されており、フォトニック結晶光回路の様々な機能を利用可能である。
なお、この他、パッシブフォトニック結晶部４０には波長合波機能や光スイッチ機能を持ったものを接続することも可能である。 The passive photonic crystal part 40 has a core layer 42 that guides the laser light generated in the semiconductor laser part 20, and the laminated structure of the lower cladding layer 11 and the upper cladding layer 43 other than the core layer 42 is the semiconductor laser part 20. This is the same as the lower cladding layer 11 and the upper cladding layer 13.
A plurality of circular holes 2 a having a triangular lattice are formed in the lower cladding layer 11, the upper cladding layer 43, and the core layer 42 as in the semiconductor laser section 20. A second line defect waveguide 3 a is disposed on the extension of the waveguide 3. The width of the line defect waveguide 3a of the passive photonic crystal unit 40 and the lattice constant formed by the circular holes 2a may be the same as those of the semiconductor laser unit 20, or may be arbitrarily selected according to desired optical circuit characteristics. You may choose.
In this structure, the laser beam output from the semiconductor laser unit 20 is directly connected to the optical circuit of the passive photonic crystal unit 40, and various functions of the photonic crystal optical circuit can be used.
In addition, it is possible to connect a passive photonic crystal unit 40 having a wavelength multiplexing function or an optical switch function.

次に、パッシブフォトニック結晶部が集積された本実施例の半導体レーザの作製方法を簡単に説明する。
まず、半導体基板１０の上に、下部クラッド層１１、コア層１２、上部クラッド層１３及びコンタクト層１４をＭＯＣＶＤやＭＢＥなどで成長する。
次に、パッシブフォトニック結晶部４０に相当する領域のコンタクト層１４及び上部クラッド層１３、コア層１２をフォトリソグラフィー及びＩＣＰ−ＲＩＥを用いて除去する。
その後、突合せ接合成長法を用いてパッシブフォトニック結晶部４０のコア層４２および上部クラッド層４３を成長する。 Next, a method for manufacturing the semiconductor laser of this example in which passive photonic crystal parts are integrated will be briefly described.
First, the lower clad layer 11, the core layer 12, the upper clad layer 13, and the contact layer 14 are grown on the semiconductor substrate 10 by MOCVD, MBE, or the like.
Next, the contact layer 14, the upper clad layer 13, and the core layer 12 in the region corresponding to the passive photonic crystal portion 40 are removed using photolithography and ICP-RIE.
Thereafter, the core layer 42 and the upper clad layer 43 of the passive photonic crystal part 40 are grown by using a butt junction growth method.

このように層構造が形成された基板に、電子線描画を用いるリソグラフィーによって作られたレジストパターン、あるいはそのパターンを誘電体膜にエッチングで転写したものをマスクとして使用してＩＣＰ−ＲＩＥエッチングを行い、積層構造に円孔２，２ａを形成する。
次に、円孔２，２ａを形成した半導体レーザ部２０及びパッシブフォトニック結晶部４０の上に、ＰＣＶＤなどの方法を用いてSiN_x膜を成膜する。この上にフォトリソグラフィーを用いてパターニングを行い、ＲＩＥで転写することで導波路３直上のSiN_x膜を取り除く。なお、SiN_x膜はパッシブフォトニック結晶部４０上に残されてもよい。
さらに、電子線蒸着や抵抗加熱蒸着のような方法を用いて上部電極１８、下部電極１９を順に形成する。この際、フォトリソグラフィーによるリフトオフ工程を用いて半導体レーザ部２０のみに上部電極１８を形成する。
なお、上記各実施形態例では、発振波長が１．５５μｍのものを示したが、他の発振波長とすることができることは言うまでもない。 ICP-RIE etching is performed using a resist pattern formed by lithography using electron beam drawing or a pattern transferred by etching to a dielectric film as a mask on the substrate on which the layer structure is formed in this manner. The circular holes 2 and 2a are formed in the laminated structure.
Next, a SiN _x film is formed on the semiconductor laser part 20 and the passive photonic crystal part 40 in which the circular holes 2 and 2a are formed by using a method such as PCVD. On this, patterning is performed using photolithography, and the SiN _x film immediately above the waveguide 3 is removed by transferring by RIE. The SiN _x film may be left on the passive photonic crystal part 40.
Further, the upper electrode 18 and the lower electrode 19 are sequentially formed using a method such as electron beam evaporation or resistance heating evaporation. At this time, the upper electrode 18 is formed only on the semiconductor laser portion 20 using a lift-off process by photolithography.
In each of the above embodiments, the oscillation wavelength is 1.55 μm, but it goes without saying that other oscillation wavelengths can be used.

図１は、本発明に係る半導体レーザに使用されるフォトニック結晶と線欠陥の概要構成の例を示す平面図である。FIG. 1 is a plan view showing an example of a schematic configuration of a photonic crystal and a line defect used in a semiconductor laser according to the present invention. 図２は、本発明に係る半導体レーザに使用されるフォトニック結晶と線欠陥の概要構成の例を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing an example of a schematic configuration of a photonic crystal and a line defect used in the semiconductor laser according to the present invention. 図３は、本発明に係る半導体レーザの導波路の分散関係の一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of the dispersion relation of the waveguide of the semiconductor laser according to the present invention. 図４は、本発明に係る半導体レーザの導波モードの分散曲線のうち図３に破線の丸で示す点に対応する波数を有する波について進行波、後退波及びこれらの回折波の寄与が考慮された電界の分布の一例を示す図である。FIG. 4 considers the contribution of the traveling wave, backward wave, and these diffracted waves with respect to the wave having the wave number corresponding to the point indicated by the broken-line circle in FIG. 3 in the waveguide mode dispersion curve of the semiconductor laser according to the present invention. It is a figure which shows an example of distribution of an electric field. 図５は、本発明に係る半導体レーザにおいてＦＤＴＤ法により求められたｙ方向のブロッホ波数付近の面外損失の大きさの一例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of the magnitude of the out-of-plane loss near the Bloch wave number in the y direction obtained by the FDTD method in the semiconductor laser according to the present invention. 図６は、本発明に係る半導体レーザにおけるｙ方向の波数成分と周波数の関係の一例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an example of the relationship between the wave number component in the y direction and the frequency in the semiconductor laser according to the present invention. 図７は、本発明の実施形態に係る半導体レーザにおいて、使用動作点とフォトニックバンドギャップ低周波数端との周波数差に対する円半径の関係の一例を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the relationship of the circle radius with respect to the frequency difference between the operating point of operation and the photonic band gap low frequency end in the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention. 図８は、本発明に係る半導体レーザにおいて、円半径と導波路幅を所定値にした場合の導波路の分散関係を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the dispersion relation of the waveguide when the circular radius and the waveguide width are set to predetermined values in the semiconductor laser according to the present invention. 図９は、図８の場合における端数成分の分布を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the distribution of fractional components in the case of FIG. 図１０は、図８、図９の場合において３次元ＦＤＴＦ法により求められた動作点付近の面外損失の大きさを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the magnitude of the out-of-plane loss near the operating point obtained by the three-dimensional FDTF method in the cases of FIGS. 図１１は、本発明に係る半導体レーザについて、導波路幅をパラメータにして面外損失の円孔半径依存性を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the dependence of the out-of-plane loss on the circular hole radius with the waveguide width as a parameter for the semiconductor laser according to the present invention. 図１２は、本発明の第１実施形態に係る半導体レーザの製造工程を示す断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention. 図１３は、本発明の第１実施形態に係る半導体レーザの製造工程を示す斜視図である。FIG. 13 is a perspective view showing the manufacturing process of the semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention. 図１４は、本発明の第１実施形態に係る半導体の導波路の分散関係を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing a dispersion relation of the semiconductor waveguide according to the first embodiment of the present invention. 図１５は、本発明の第３実施形態に係る半導体レーザを示す斜視図である。FIG. 15 is a perspective view showing a semiconductor laser according to the third embodiment of the present invention. 図１６は、本発明の第３実施形態に係る半導体レーザにおける外接導波路の長さと変換効率の関係を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the length of the circumscribed waveguide and the conversion efficiency in the semiconductor laser according to the third embodiment of the present invention. 図１７は、本発明の第４実施形態に係る半導体レーザを示す斜視図である。FIG. 17 is a perspective view showing a semiconductor laser according to the fourth embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

１：半導体層
２：円孔
３：線欠陥導波路
１０：半導体基板
１１：下部クラッド層
１２：コア層
１２ａ：多重量子井戸
１２ｂ：障壁層
１３：上部クラッド層
１４：コンタクト層
１６：誘電体膜
１８：上部電極
１９：下部電極
２０：半導体レーザ部
３０：外接導波路
３１：下部クラッド層
３２：コア層
３３：上部クラッド層
３４：スポットサイズ変換部
４０：パッシブフォトニック結晶部
1: Semiconductor layer 2: Circular hole 3: Line defect waveguide 10: Semiconductor substrate 11: Lower clad layer 12: Core layer 12a: Multiple quantum well 12b: Barrier layer 13: Upper clad layer 14: Contact layer 16: Dielectric film 18: upper electrode 19: lower electrode 20: semiconductor laser part 30: circumscribed waveguide 31: lower clad layer 32: core layer 33: upper clad layer 34: spot size converter 40: passive photonic crystal part

Claims (7)

半導体基板と、
前記半導体基板上に積層された下部半導体クラッド層と、
前記下部半導体クラッド層上に積層された半導体コア層と、
前記半導体コア層上に積層された上部半導体クラッド層と、
前記上部半導体クラッド層と前記半導体コア層とを貫通する複数の空孔により、前記半導体コア層に形成される二次元的な屈折率の周期構造と、
前記２次元的な屈折率の周期構造内に形成されて、前記空孔に挟まれ且つ前記空孔が存在しない線状の欠陥領域からなる導波路と
を有する半導体レーザであって、
前記導波路でレーザ発振する光の真空中の波長をλ、
複数の前記空孔の間隔をａ、
前記空孔の半径をｒ、
前記導波路を挟んで配列した前記空孔の中心間の距離として定義される前記導波路の幅をｄ、
前記半導体コア層の屈折率、複数の前記空孔の前記間隔ａ、前記空孔の前記半径ｒ、前記導波路の前記幅ｄとで決まる前記導波路の基本モードの、ブロッホ波数０における実効屈折率をｎ_eff
としたときに、
０．５ａ＞ｒ≧０．３２５a、
ｄ≦１．８４ａ、
ａ＝λ／ｎ_eff
が成立していることを特徴とする半導体レーザ。 A semiconductor substrate;
A lower semiconductor clad layer laminated on the semiconductor substrate;
A semiconductor core layer laminated on the lower semiconductor cladding layer;
An upper semiconductor clad layer laminated on the semiconductor core layer;
A periodic structure of a two-dimensional refractive index formed in the semiconductor core layer by a plurality of holes penetrating the upper semiconductor cladding layer and the semiconductor core layer;
A semiconductor laser having a waveguide formed of a linear defect region that is formed in the periodic structure having a two-dimensional refractive index and is sandwiched between the vacancies and does not have the vacancies;
The wavelength in vacuum of the light oscillated in the waveguide is λ,
The interval between the plurality of holes is a,
The radius of the hole is r,
The width of the waveguide defined as the distance between the centers of the holes arranged across the waveguide is d,
Effective refraction at the Bloch wave number 0 of the fundamental mode of the waveguide determined by the refractive index of the semiconductor core layer, the interval a of the plurality of holes, the radius r of the holes, and the width d of the waveguide Rate n _eff
And when
0.5a> r ≧ 0.325a,
d ≦ 1.84a,
a = λ / n _eff
A semiconductor laser characterized by the fact that 前記複数の空孔は、三角格子配列されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。   2. The semiconductor laser according to claim 1, wherein the plurality of holes are arranged in a triangular lattice. ｒ≧０．３５aであることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ。   3. The semiconductor laser according to claim 1, wherein r ≧ 0.35a. ｄ≦（√３）ａであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の半導体レーザ。   4. The semiconductor laser according to claim 1, wherein d ≦ (√3) a. 前記線状の欠陥領域からなる導波路から出射されるレーザ光を導波する半導体光回路が、前記半導体基板上に集積されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載の半導体レーザ。   5. The semiconductor optical circuit for guiding a laser beam emitted from a waveguide composed of the linear defect region is integrated on the semiconductor substrate. The semiconductor laser described in 1. 前記半導体光回路は、前記導波路の幅よりも広い幅を有する導波路を含むことを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ。   6. The semiconductor laser according to claim 5, wherein the semiconductor optical circuit includes a waveguide having a width wider than that of the waveguide. 前記半導体光回路は、フォトニック結晶光回路であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の半導体レーザ。   7. The semiconductor laser according to claim 5, wherein the semiconductor optical circuit is a photonic crystal optical circuit.

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