JP6405283B2 - Ridge waveguide semiconductor laser - Google Patents
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Description
本発明は、光通信の光源に使用される半導体レーザに関する。より詳細には、光ファイバとの高い結合効率を実現できるリッジ導波路型半導体レーザに関する。 The present invention relates to a semiconductor laser used as a light source for optical communication. More specifically, the present invention relates to a ridge waveguide type semiconductor laser that can realize high coupling efficiency with an optical fiber.
スマートフォンやタブレットデバイスの普及が全世界的に広がる中で、インターネットトラフィック、データトラフィックの増加は止まるところがない。この通信容量の急速な拡大に対応して、２０１０年には１００ＧｂＥ（１００ギガビットイーサネット）の標準化がなされ、現在ではＢｅｙｏｎｄ １００ＧｂＥの標準規格として、これを越える４００ＧｂＥ（４００ギガビットイーサネット）に注目が集まっている。４００ＧｂＥのシステム構成や光源単体に求められる仕様はまだ論議中であるが、従来の仕様を考慮すれば、光源単体には２５〜５０Ｇbit／ｓ以上のデータ伝送帯域が求められると考えられる。 With the spread of smartphones and tablet devices around the world, the increase in Internet traffic and data traffic will not stop. In response to this rapid expansion of communication capacity, standardization of 100 GbE (100 Gigabit Ethernet) was made in 2010, and attention is now focused on 400 GbE (400 Gigabit Ethernet) that exceeds this standard as the standard of Beyond 100 GbE. Yes. Although the specifications required for a 400 GbE system configuration and a single light source are still under discussion, it is considered that a data transmission band of 25 to 50 Gbit / s or more is required for a single light source in consideration of conventional specifications.
４００ＧｂＥのための光源としては、高速な変調機能を持つ光源が必要とされる。その候補としては、電界吸収型変調器集積ＤＦＢレーザ（ＥＡＤＦＢ：Electro-Absorption Modulator integrated with DFB Laser）や、直接変調レーザ（ＤＭＬ：Directly Modulated Laser）が挙げられる。取り分け、ＤＭＬは、ＥＡＤＦＢと比較して光出力レベルが高く、低消費電力であるなどの利点を持っており、４００ＧｂＥのための５０Ｇbit／ｓの伝送動作を実現できる可能性のある光源として有力である。 As a light source for 400 GbE, a light source having a high-speed modulation function is required. The candidates include an electroabsorption modulator integrated DFB laser (EADFB: Electro-Absorption Modulator integrated with DFB Laser) and a direct modulation laser (DML: Directly Modulated Laser). In particular, DML has advantages such as higher light output level and lower power consumption than EADFB, and is a powerful light source that may be able to realize 50 Gbit / s transmission operation for 400 GbE. is there.
図１は、リッジ型導波路を用いた直接変調レーザ（ＤＭＬ）の代表的な構成例を示す図である。その構造を簡単に説明すれば、ＤＭＬ１は、ｎ型ＩｎＰ基板２、ＩｎＧａＡｌＡｓ ＭＱＷ（多重量子井戸：Multi-Quantum Well）層からなる活性層３、ｐ型ＩｎＰによるメサストライプ部９から構成される。ＤＭＬ１は、活性層３の上部にあるメサストライプ部９によって光を閉じ込めるリッジ型構造を利用しており、活性層３のエッチング加工を必要としない。このため、ＤＭＬのもう一つの代表的な構成である埋め込みヘテロ構造（ＢＨ： Buried Heterostructure）のレーザと比べて、より簡単な方法で作製できる。図１のＤＭＬでは、素子全体の寄生容量を減らすために、メサストライプ部９の両脇が低誘電率材料であるＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）４ａ、４ｂなどで埋め込まれている。活性層３の上部には回折格子７が構成されており、メサストライプ部９の上面のｐ電極６ａと、基板２の下面の電極６ｂも備えている。発振光が取り出される基板の一方の端面上にはＡＲ（反射防止）膜５が形成され、反対側の端面には図には描かれていないがＨＲ（高反射）膜が形成されている。 FIG. 1 is a diagram showing a typical configuration example of a direct modulation laser (DML) using a ridge-type waveguide. Briefly describing the structure, the DML 1 includes an n-type InP substrate 2, an active layer 3 made of an InGaAlAs MQW (Multi-Quantum Well) layer, and a mesa stripe portion 9 made of p-type InP. The DML 1 uses a ridge structure in which light is confined by the mesa stripe portion 9 above the active layer 3, and does not require etching of the active layer 3. Therefore, it can be manufactured by a simpler method as compared with a buried heterostructure (BH) laser, which is another typical configuration of DML. In the DML of FIG. 1, in order to reduce the parasitic capacitance of the entire device, both sides of the mesa stripe portion 9 are embedded with BCB (benzocyclobutene) 4a, 4b, which is a low dielectric constant material. A diffraction grating 7 is formed on the active layer 3, and a p-electrode 6 a on the upper surface of the mesa stripe portion 9 and an electrode 6 b on the lower surface of the substrate 2 are also provided. An AR (antireflection) film 5 is formed on one end face of the substrate from which the oscillation light is extracted, and an HR (high reflection) film is formed on the opposite end face although not shown in the drawing.
図１に示したリッジ型導波路を用いたＤＭＬ（以下、簡単のためリッジ型ＤＭＬと呼ぶ）は、メサストライプ部９の脇に埋め込むＢＣＢが２．８程度の低い比誘電率を持っている。例えばＩｎＰなどの高い誘電率１２．４を持つ半導体材料を使用してメサストライプ部の脇を埋め込むＢＨ構造のＤＭＬと比べると、リッジ型ＤＭＬでは電極パッドなどの寄生容量を小さくすることができる。このため、リッジ型ＤＭＬは広帯域な変調動作が可能となり、１００ＧｂＥなどの変調用光源として広く用いられている。 The DML using the ridge-type waveguide shown in FIG. 1 (hereinafter referred to as a ridge-type DML for the sake of simplicity) has a low relative dielectric constant of about 2.8 with the BCB embedded beside the mesa stripe portion 9. . For example, a ridge-type DML can reduce the parasitic capacitance of an electrode pad or the like as compared with a BH structure DML in which a semiconductor material having a high dielectric constant of 12.4 such as InP is used to fill the side of the mesa stripe portion. For this reason, the ridge type DML can perform a wide band modulation operation and is widely used as a modulation light source such as 100 GbE.
しかしながら、リッジ型ＤＭＬでは、以下に述べるような、発振光における電界強度分布の歪みのために、外部の光ファイバと結合する際の損失が大きいという問題があった。 However, the ridge type DML has a problem that a loss in coupling with an external optical fiber is large due to the distortion of the electric field intensity distribution in the oscillation light as described below.
図２は、リッジ型ＤＭＬおよびＢＨ型ＤＭＬの各構造および電界強度分布を比較して説明する図である。図２の（ａ）の左側には、リッジ型ＤＭＬのリッジ部を含む断面構造を示しており、図１におけるＤＭＬ１のリッジ部の長手方向に垂直であって発振光の出射端面と平行な面で切った断面を見た図である。断面図の右側には、同じ断面における電界強度分布を明暗の諧調によって示した分布図を示す。この電界強度分布の詳細については後述するが、断面図に示された各要素に対応する構造境界が示されており、電界強度分布の大まかな形状がわかる。 FIG. 2 is a diagram for explaining and comparing each structure and electric field strength distribution of the ridge type DML and the BH type DML. The left side of FIG. 2A shows a cross-sectional structure including the ridge portion of the ridge type DML, which is perpendicular to the longitudinal direction of the ridge portion of the DML 1 in FIG. 1 and is parallel to the emission end face of the oscillation light. It is the figure which looked at the cross section cut | disconnected by. On the right side of the cross-sectional view, a distribution diagram showing the electric field intensity distribution in the same cross-section with light and dark gradations is shown. Although details of the electric field strength distribution will be described later, structural boundaries corresponding to each element shown in the cross-sectional view are shown, and the rough shape of the electric field strength distribution can be seen.
図２の（ａ）の断面図を参照すれば、ｎ−ＩｎＰ基板１１の上には、コア層１２およびエッチストップ層として機能するｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層１３およびメサストライプ部１４が順次形成されている。メサストライプ部１４の側壁およびエッチストップ層１３の上面には、絶縁膜１５が形成されている。この断面図には示していないが、メサストライプ部１５の両脇は、図１に示したようにＢＣＢなどの低誘電率材料によって埋め込まれている。ＢＣＢなどのポリイミド材料はスピンコートなどによって簡単に埋め込むことが可能である。前述のようにリッジ型ＤＭＬでは、コア層１２に対してエッチング加工などを行う必要が無く、コア層１２の成形工程が不要である。 Referring to the cross-sectional view of FIG. 2A, on the n-InP substrate 11, an i-InGaAsP layer 13 and a mesa stripe portion 14 functioning as a core layer 12 and an etch stop layer are sequentially formed. . An insulating film 15 is formed on the side wall of the mesa stripe portion 14 and the upper surface of the etch stop layer 13. Although not shown in this cross-sectional view, both sides of the mesa stripe portion 15 are embedded with a low dielectric constant material such as BCB as shown in FIG. A polyimide material such as BCB can be easily embedded by spin coating or the like. As described above, in the ridge type DML, it is not necessary to perform an etching process or the like on the core layer 12, and a molding process of the core layer 12 is unnecessary.
ここでリッジ型ＤＭＬに対応する電界強度分布を見ると、図の中央付近であって、コア層１２内のメサストライプ部１４に対応する位置に電界が集中している。図２の電界強度分布図は、カラー表示されたものをモノクロ表示しているため、明度がそのまま電界強度を示しているわけではないことに留意されたい。すなわち、電界強度分布は、中心部のやや暗い部分において最も高い強度を持ち、周辺部に離れるにしたがって徐々に電界強度が低下している。また、メサストライプ部１４の下部の両脇にある稜線部分１６に着目すると、この稜線部分１６の近傍において、電界強度分布に「凹み」または「くびれ」が生じていることがわかる。この凹みまたはくびれは、電界強度分布に本来求められる円形形状から逸脱し、形状に歪みが生じていることを意味している。この歪みは、リッジ型構造において基板面と平行な横方向を見たとき、埋め込みＢＣＢ（比誘電率２．８）とリッジ部のＩｎＰ（比誘電率１２．４）との間の静電誘電率の急激な変化によるものと考えられている。リッジ型ＤＭＬでは、上述の電界強度分布の形状に凹みまたはくびれを伴い、電界強度分布は円状から逸脱して、概ねＵＦＯ様の形状を持つ。 Here, looking at the electric field intensity distribution corresponding to the ridge type DML, the electric field is concentrated at a position corresponding to the mesa stripe portion 14 in the core layer 12 in the vicinity of the center of the figure. It should be noted that the electric field intensity distribution diagram of FIG. 2 is a monochrome display of the color display, so that the brightness does not indicate the electric field intensity as it is. That is, the electric field intensity distribution has the highest intensity in a slightly dark part at the center, and the electric field intensity gradually decreases as the distance from the peripheral part increases. Further, when attention is paid to the ridge line portions 16 on both sides of the lower part of the mesa stripe portion 14, it is understood that “dents” or “necks” are generated in the electric field intensity distribution in the vicinity of the ridge line portions 16. This dent or constriction means that the shape deviates from the circular shape originally required for the electric field strength distribution and the shape is distorted. This distortion is caused by the electrostatic dielectric between the buried BCB (relative permittivity 2.8) and the InP (relative permittivity 12.4) of the ridge when viewed in the lateral direction parallel to the substrate surface in the ridge structure. This is thought to be due to a rapid change in rate. In the ridge type DML, the shape of the above-mentioned electric field intensity distribution is accompanied by a dent or constriction, and the electric field intensity distribution deviates from a circular shape and has a generally UFO-like shape.
図２の（ｂ）の左側には、比較のためＢＨ型ＤＭＬの断面構造を示しており、図２の（ａ）のリッジ型ＤＭＬに対応する断面を示す。図２の（ｂ）の断面図の右側には電界強度分布が示されている。図２の（ｂ）の断面図を参照すれば、ｎ−ＩｎＰ基板２１の上には、コア層２２、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層２３およびｐ−ＩｎＰ層２４が順次形成されている。コア層２２より上部側はエッチングによってメサ構造が形成されている。メサ構造の両脇および基板２１の上面は、結晶成長法等を用いて半絶縁性のＩｎＰ２５ａ、２５ｂを埋め込んでいる。 The left side of FIG. 2B shows a cross-sectional structure of the BH type DML for comparison, and shows a cross section corresponding to the ridge type DML of FIG. The electric field strength distribution is shown on the right side of the cross-sectional view of FIG. Referring to the cross-sectional view of FIG. 2B, a core layer 22, an i-InGaAsP layer 23, and a p-InP layer 24 are sequentially formed on the n-InP substrate 21. A mesa structure is formed on the upper side of the core layer 22 by etching. Both sides of the mesa structure and the upper surface of the substrate 21 are embedded with semi-insulating InPs 25a and 25b using a crystal growth method or the like.
図２の（ｂ）の右側の電界強度分布を参照すると、リッジ型ＤＭＬ同様に電界強度分布は、中心部において最も高い強度を持ち、周辺部に離れるにしたがって徐々に電界強度が低下している。しかしながら、リッジ型ＤＭＬに見られた電界強度分布のコア部近傍での電界形状の凹み、くびれなどの歪みは見られない。これは、ＢＨ型構造のＤＭＬにおいて基板面と平行な横方向を見たとき、埋め込み材料の絶縁性のＩｎＰ２５ａ、２５ｂと、同じく半導体層からなるコア層２２との間の屈折率が緩やかになだらかに変化するためであると考えられる。 Referring to the electric field intensity distribution on the right side of FIG. 2 (b), the electric field intensity distribution has the highest intensity at the center as in the ridge type DML, and the electric field intensity gradually decreases as the distance from the periphery increases. . However, distortions such as dents and constrictions in the shape of the electric field in the vicinity of the core portion of the electric field intensity distribution observed in the ridge type DML are not observed. This is because the refractive index between the insulating InPs 25a and 25b, which are the embedded material, and the core layer 22 made of the same semiconductor layer is moderately gentle when viewed in the horizontal direction parallel to the substrate surface in the BML DML. This is thought to be due to changes.
図２の（ｂ）に示したＢＨ型構造のＤＭＬの電界強度分布は、一見して、完全な円形（真円）よりも縦方向(基板面に垂直な方向)に圧縮されたものである。しかしながら、一般に半導体レーザにおいては、発振光の外部への取り出しは、デバイスの端面にレンズを配置して、横方向および縦方向の少なくとも１つの方向にパワーを持つ１つ以上のレンズを介して光ファイバと出射光を結合させて行う。したがって、横方向および／または縦方向について出射光を拡大すれば、電界強度分布は実質的に完全な円形（真円）とすることができる。この点で、図２の（ｂ）に示したＢＨ型ＤＭＬの出射光の電界強度分布は、円形状とみなすことができる。したがって、レーザデバイスと光ファイバとを結合させる場合にも、損失無く、ほぼ１００％の結合効率で光を結合させることができる。 At first glance, the electric field strength distribution of the BML DML shown in FIG. 2B is compressed in the longitudinal direction (direction perpendicular to the substrate surface) rather than a perfect circle (perfect circle). . However, in general, in a semiconductor laser, the oscillation light is extracted outside by placing a lens on the end face of the device and transmitting the light through one or more lenses having power in at least one of the horizontal and vertical directions. This is done by combining the fiber and the outgoing light. Therefore, if the outgoing light is expanded in the horizontal direction and / or the vertical direction, the electric field strength distribution can be made substantially perfect circular (perfect circle). In this respect, the electric field intensity distribution of the emitted light of the BH type DML shown in FIG. 2B can be regarded as a circular shape. Therefore, even when a laser device and an optical fiber are coupled, light can be coupled with a coupling efficiency of almost 100% without loss.
上述の図２の（ａ）、（ｂ）の２つの電界強度分布を対照してみれば、リッジ型ＤＭＬでは、電界強度分布の円形から逸脱した凹み、くびれなどの歪みが顕著であることが理解できる。リッジ型導波路においては、縦方向（基板面に垂直な方向）の光閉じ込めは基板１１からｐ−ＩｎＰ層１４までの半導体の層構造による屈折率変化により実現する。また、横方向（基板面に平行な方向）の光閉じ込めは半導体によるメサストライプ部と空気（または埋め込みＢＣＢ）の屈折率差により実現する。導波路の幅を広くしていくと、横方向の高次モードが発生してしまう。このため、シングルモードで動作する導波路を実現するためには、導波路幅（すなわちメサストライプ部の幅に対応）を一定幅より狭くする必要がある。リッジ型導波路においては、空気（または埋め込みＢＣＢ）とメサストライプ部の半導体との間の屈折率の急激な変化と大きな屈折率差によって光閉じ込めを実現する一方で、電界強度分布の形状には歪が生じていた。 When comparing the two electric field intensity distributions in FIGS. 2A and 2B described above, in the ridge type DML, distortion such as a dent and a constriction deviating from the circular shape of the electric field intensity distribution is remarkable. Understandable. In the ridge-type waveguide, optical confinement in the vertical direction (direction perpendicular to the substrate surface) is realized by a refractive index change due to the semiconductor layer structure from the substrate 11 to the p-InP layer 14. Further, optical confinement in the lateral direction (direction parallel to the substrate surface) is realized by a difference in refractive index between a mesa stripe portion made of a semiconductor and air (or buried BCB). When the width of the waveguide is increased, a high-order mode in the lateral direction is generated. For this reason, in order to realize a waveguide that operates in a single mode, it is necessary to make the waveguide width (that is, corresponding to the width of the mesa stripe portion) narrower than a certain width. In the ridge-type waveguide, optical confinement is realized by a rapid change in the refractive index between the air (or buried BCB) and the semiconductor of the mesa stripe portion and a large refractive index difference. There was distortion.
上述のように、半導体レーザからの出射光はレンズを用いて光ファイバ等に結合されるために、電界強度分布の形状に、レンズを用いても円形状に補正ができないような歪みあると、光ファイバとの結合効率が一定以上よりも高まらない問題点があった。本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、リッジ型ＤＭＬなどのリッジ型導波路構造を用いた半導体レーザにおいて、コア層における電界強度分布を真円形状に近づけ、その結果、外部光ファイバとの間で高い結合効率を得るところにある。 As described above, since the light emitted from the semiconductor laser is coupled to an optical fiber or the like using a lens, the shape of the electric field intensity distribution has a distortion that cannot be corrected to a circular shape using a lens. There is a problem that the coupling efficiency with the optical fiber does not increase above a certain level. The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain a perfect circular electric field intensity distribution in a core layer in a semiconductor laser using a ridge-type waveguide structure such as a ridge-type DML. It is close to the shape, and as a result, a high coupling efficiency is obtained with the external optical fiber.
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体基板と、前記半導体基板の上に形成されたコア層と、前記コア層の上に形成された上部クラッド層がリッジ形状に加工されたメサストライプとを備えた半導体レーザにおいて、前記メサストライプの側面の上、および、前記側面と交差し前記リッジ形状を構成する前記コア層の上に形成され、前記半導体基板と同じ組成を持つ緩衝層をさらに備え、前記コア層の厚さをｔ core 、前記半導体基板に対して垂直方向の前記緩衝層の厚さをｔとすると、ｔ core およびｔで構成される座標軸上で、ｔ core およびｔが、ｔ core ＝１８０ｎｍの時のｔの上限値１８０ｎｍの点Ａ、ｔ core ＝１８０ｎｍの時のｔの下限値１２０ｎｍの点Ｂ、ｔ core ＝２３０ｎｍの時のｔの上限値１２０ｎｍの点Ｃ、ｔ core ＝２３０ｎｍの時のｔの下限値７０ｎｍの点Ｄ、ｔ core ＝２８０ｎｍの時のｔの上限値７５ｎｍの点Ｅ、ｔ core ＝２８０ｎｍの時のｔの下限値２５ｎｍの点Ｆを、点Ａ、点Ｂ、点Ｄ、点Ｆ、点Ｅ、点Ｃ、点Ａの順に直線で結んで得られる領域の周上および領域の内部にあることを特徴とする半導体レーザである。 In order to achieve the above object, the present invention provides a semiconductor substrate , a core layer formed on the semiconductor substrate , and an upper portion formed on the core layer. in the semiconductor laser clad layer has a mesa stripe processed into a ridge shape, on the side surface of the mesa stripe, and, formed on the core layer crossing the side face constituting the ridge, the further comprising a buffer layer having the same composition as the semiconductor substrate, the thickness t core of the core layer, when t the thickness of the vertical direction of the buffer layer to the semiconductor substrate, is composed of t core and t When t core and t are t core = 180 nm, the upper limit value t is 180 nm, t core is 180 nm, t lower limit value t is 120 nm, and t core is 230 nm. Upper limit of t 1 Point of 20nm C, t core = D point lower limit 70nm of t when the 230 nm, t core = point E in the upper limit 75nm of t when the 280nm, t core = a t the time of 280nm lower limit 25nm A semiconductor laser characterized in that the point F is on the periphery of the region obtained by connecting the point F with the straight line in the order of point A, point B, point D, point F, point E, point C, and point A, and inside the region. is there.
請求項２に記載の発明は、半導体基板と、前記半導体基板の上に形成されたコア層と、前記コア層の上に形成されたエッチストップ層と、前記エッチストップ層の上に形成された上部クラッド層がリッジ形状に加工されたメサストライプとを備えた半導体レーザにおいて前記メサストライプの側面の上、および、前記側面と交差し前記リッジ形状を構成する前記エッチストップ層の上に形成され、前記半導体基板と同じ組成を持つ緩衝層をさらに備え、前記コア層の厚さをｔ core 、前記半導体基板に対して垂直方向の前記緩衝層の厚さをｔとすると、ｔ core およびｔで構成される座標軸上で、ｔ core およびｔが、ｔ core ＝１８０ｎｍの時のｔの上限値１８０ｎｍの点Ａ、ｔ core ＝１８０ｎｍの時のｔの下限値１２０ｎｍの点Ｂ、ｔ core ＝２３０ｎｍの時のｔの上限値１２０ｎｍの点Ｃ、ｔ core ＝２３０ｎｍの時のｔの下限値７０ｎｍの点Ｄ、ｔ core ＝２８０ｎｍの時のｔの上限値７５ｎｍの点Ｅ、および、ｔ core ＝２８０ｎｍの時のｔの下限値２５ｎｍの点Ｆを、点Ａ、点Ｂ、点Ｄ、点Ｆ、点Ｅ、点Ｃ、点Ａの順に直線で結んで得られる領域の周上および領域の内部にあることを特徴とする半導体レーザである。 The invention according to claim 2 is formed on a semiconductor substrate , a core layer formed on the semiconductor substrate , an etch stop layer formed on the core layer, and the etch stop layer. An upper cladding layer formed on a side surface of the mesa stripe in a semiconductor laser including a mesa stripe processed into a ridge shape, and on the etch stop layer that intersects the side surface and forms the ridge shape; further comprising a buffer layer having the same composition as the semiconductor substrate, the thickness t core of the core layer, when t the thickness of the vertical direction of the buffer layer to the semiconductor substrate, composed of t core and t on the coordinate axis that is, t core and t is, t core = point a of the upper limit 180nm for t when the 180nm, t core = point B lower limit 120nm for t when the 180nm, t core = 230 point C with an upper limit of 120 nm, point D with a lower limit of 70 nm when t core = 230 nm, point E with an upper limit of 75 nm with t core = 280 nm, and t core = On the periphery of the region obtained by connecting the point F having the lower limit value 25 nm of t at 280 nm with a straight line in the order of point A, point B, point D, point F, point E, point C, point A, and the inside of the region The semiconductor laser is characterized by the above.
請求項３に記載の発明は、請求項２の半導体レーザであって、前記エッチストップ層は、アンドープのＩｎＧａＡｓＰ系材料であることを特徴とする。 A third aspect of the present invention is the semiconductor laser according to the second aspect , wherein the etch stop layer is an undoped InGaAsP-based material.
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３いずれかの半導体レーザであって、前記半導体基板はＩｎＰ基板であり、前記緩衝層は、ＦｅもしくはＲｕがドープされた半絶縁性ＩｎＰ材料(ＳＩ−ＩｎＰ)、または、アンドープのＩｎＰ材料(ｉ−ＩｎＰ)であることを特徴とする。 The invention according to claim 4 is the semiconductor laser according to any one of claims 1 to 3, wherein the semiconductor substrate is an InP substrate, and the buffer layer is a semi-insulating InP material doped with Fe or Ru. SI-InP) or undoped InP material (i-InP).
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４いずれかの半導体レーザであって、前記緩衝層に密着するように形成された絶縁膜をさらに備えたことを特徴とする。 The invention according to claim 5 is the semiconductor laser according to any one of claims 1 to 4, further comprising an insulating film formed so as to be in close contact with the buffer layer.
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５いずれかの半導体レーザであって、前記コア層は、多重量子井戸層および光閉じ込め層からなることを特徴とする。 A sixth aspect of the present invention is the semiconductor laser according to any one of the first to fifth aspects, wherein the core layer includes a multiple quantum well layer and an optical confinement layer.
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７いずれかに記載の半導体レーザと、前記メサストライプの側部を覆う低誘電率材料と、前記低誘電率材料の少なくとも一部および前記メサストライプの上に形成された変調電極とを備えたことを特徴とする直接変調レーザである。 According to an eighth aspect of the present invention, there is provided the semiconductor laser according to any one of the first to seventh aspects, a low dielectric constant material covering a side portion of the mesa stripe, at least a part of the low dielectric constant material, and the mesa stripe. And a modulation electrode formed on the direct modulation laser.
以上説明したように、本発明によって、電界強度分布の凹み、くぼみなどの形状歪みを改善し、外部光ファイバとの間で高い結合効率を持つリッジ導波路型半導体レーザを実現できる。さらに、リッジ部を覆う絶縁層に起因した応力の影響を緩和することもできる。 As described above, according to the present invention, it is possible to realize a ridge waveguide type semiconductor laser having improved coupling distortion with an external optical fiber by improving the shape distortion such as dents and depressions in the electric field intensity distribution. Furthermore, the influence of stress due to the insulating layer covering the ridge portion can be reduced.
本発明のリッジ導波路型半導体レーザは、メサストライプの側壁およびコア層の上部に、半導体基板と同じ組成の半導体緩衝層を形成する。この緩衝層によって、メサストライプの横方向における屈折率の急激な変化を緩和し、電界強度分布の形状に生じる歪みを軽減する。この緩衝層によって、半導体レーザと光ファイバとの結合効率を改善することができる。以下の説明では、まず半導体レーザのコア層の厚さとの関係で緩衝層が有効に機能する条件について明らかにする。さらに、具体的なリッジ導波路型半導体レーザデバイスの作製例について説明する。 In the ridge waveguide semiconductor laser of the present invention, a semiconductor buffer layer having the same composition as that of the semiconductor substrate is formed on the sidewalls of the mesa stripe and on the core layer. This buffer layer alleviates a sudden change in the refractive index in the lateral direction of the mesa stripe, and reduces the distortion generated in the shape of the electric field strength distribution. By this buffer layer, the coupling efficiency between the semiconductor laser and the optical fiber can be improved. In the following description, first, the conditions under which the buffer layer functions effectively in relation to the thickness of the core layer of the semiconductor laser will be clarified. Further, a specific example of manufacturing a ridge waveguide type semiconductor laser device will be described.
本発明のリッジ導波路型半導体レーザでは、メサストライプ構造の全体を覆うように、メサストライプの側面上、並びに、コア層もしくはコア層上のエッチストップ層の上面に、半導体基板と同じ組成を持つ別個の半導体緩衝層を設ける。以下、簡単のためこの半導体層を緩衝層と呼ぶ。 The ridge waveguide semiconductor laser of the present invention has the same composition as that of the semiconductor substrate on the side surface of the mesa stripe and on the upper surface of the core layer or the etch stop layer on the core layer so as to cover the entire mesa stripe structure. A separate semiconductor buffer layer is provided. Hereinafter, for simplicity, this semiconductor layer is referred to as a buffer layer.
図３は、本発明のリッジ導波路型半導体レーザにおける緩衝層の構成を説明する図である。左側の断面図は従来技術のリッジ導波路型半導体レーザの構造を示している。基板３１上にコア層３２、エッチストップ層３３、上部クラッド層が順次形成される。その後、上部クラッド層をエッチング加工して、上部クラッド層のメサストライプ３４が形成される。本発明のリッジ導波路型半導体レーザでは、上述の従来技術の構造に加えて、メサストライプ全面を覆うように、メサストライプ３４の側面上およびエッチストップ層３３の上面に、緩衝層３５ａ、３５ｂを設けている。 FIG. 3 is a diagram illustrating the configuration of the buffer layer in the ridge waveguide semiconductor laser of the present invention. The left sectional view shows the structure of a conventional ridge waveguide type semiconductor laser. A core layer 32, an etch stop layer 33, and an upper cladding layer are sequentially formed on the substrate 31. Thereafter, the upper cladding layer is etched to form a mesa stripe 34 of the upper cladding layer. In the ridge waveguide type semiconductor laser of the present invention, buffer layers 35a and 35b are formed on the side surfaces of the mesa stripe 34 and on the upper surface of the etch stop layer 33 so as to cover the entire surface of the mesa stripe in addition to the above-described conventional structure. Provided.
リッジ導波路型半導体レーザにおける電界強度分布における凹み、くびれなどの形状の歪みを改善するため、本発明ではリッジ型導波路のメサストライプの側部を、半導体基板と同じ材料であってアンドープの材料、または、半導体基板と同じ材料であって半絶縁性になるようにドーピングした材料によって埋め込む。具体的な材料の例を挙げれば、基板３１としてｎ−ＩｎＰ基板を用いることができる。この場合、緩衝層３５ａ、３５ｂの材料として、ｉ−ＩｎＰ（アンドープ）、または、ＦｅもしくはＲｕをドーピングしたＳＩ−ＩｎＰ（ＳＩ：Semi-Insulating半絶縁）を使いメサストライプの側部埋め込む。ここで、基板と同じ材料とは、緩衝層の材料の構成元素が基板の主たる構成元素と同じであることを意味する。 In order to improve the distortion of the shape such as dent and constriction in the electric field intensity distribution in the ridge waveguide type semiconductor laser, in the present invention, the side of the mesa stripe of the ridge type waveguide is made of the same material as the semiconductor substrate and is undoped. Alternatively, it is embedded with a material which is the same material as the semiconductor substrate and doped so as to be semi-insulating. As an example of a specific material, an n-InP substrate can be used as the substrate 31. In this case, i-InP (undoped) or SI-InP (SI: Semi-Insulating semi-insulating) doped with Fe or Ru is used as the material of the buffer layers 35a and 35b, and the side portions of the mesa stripe are embedded. Here, the same material as the substrate means that the constituent element of the material of the buffer layer is the same as the main constituent element of the substrate.
したがって、本発明は、半導体基板３１と、前記半導体基板上に形成されたコア層３２と、前記コア層の上に形成されたエッチストップ層３３と、前記エッチストップ層の上に形成された上部クラッド層がリッジ形状に加工されたメサストライプ３４とを備えた半導体レーザにおいて、前記メサストライプの側面上、および、前記側面と交差し前記リッジ形状を構成する前記エッチストップ層の上に形成され、前記半導体基板と同じ組成を持つ緩衝層３５ａ、３５ｂをさらに備えたことを特徴とする半導体レーザとして実現できる。メサストライプ下部の稜線部における屈折率変化の緩和のために、メサストライプの側面上にある緩衝層とエッチストップ層上の緩衝層は、連続した一体のものであることが好ましい。 Accordingly, the present invention relates to a semiconductor substrate 31, a core layer 32 formed on the semiconductor substrate, an etch stop layer 33 formed on the core layer, and an upper portion formed on the etch stop layer. In a semiconductor laser comprising a mesa stripe 34 with a cladding layer processed into a ridge shape, the clad layer is formed on a side surface of the mesa stripe and on the etch stop layer that intersects the side surface and forms the ridge shape, It can be realized as a semiconductor laser further comprising buffer layers 35a and 35b having the same composition as the semiconductor substrate. In order to mitigate the change in the refractive index in the ridge line portion under the mesa stripe, the buffer layer on the side surface of the mesa stripe and the buffer layer on the etch stop layer are preferably continuous and integral.
図３に示した本発明のリッジ導波路型半導体レーザにおける緩衝層を形成する方法としては、メサストライプ３４の加工の際にエッチング量を本来よりも減らし、図３の右図のような形状に加工をすることも考えられる。しかし、メサストライプ３４のｐ−ＩｎＰ層のエッチング量を調整して削り残すことによって緩衝層を実現した場合、リッジ型導波路に電流を注入する際に、電流は緩衝層に沿って横方向に広がってしまう。これによって、活性層に効果的に電流を注入することができない。さらにエッチング工程において現在実現可能な加工精度では、緩衝層においてｎｍオーダの膜厚を面内均一性良く制御することは実用上難しい。 As a method of forming the buffer layer in the ridge waveguide type semiconductor laser of the present invention shown in FIG. 3, the etching amount is reduced more than originally when the mesa stripe 34 is processed, and the shape as shown in the right diagram of FIG. Processing is also conceivable. However, when the buffer layer is realized by adjusting the etching amount of the p-InP layer of the mesa stripe 34 and leaving it uncut, when the current is injected into the ridge waveguide, the current flows in the lateral direction along the buffer layer. It spreads. As a result, current cannot be effectively injected into the active layer. Furthermore, it is practically difficult to control the film thickness on the order of nm in the buffer layer with good in-plane uniformity with the processing accuracy that can be realized at present in the etching process.
本発明のリッジ導波路型半導体レーザでは、ｐ−ＩｎＰ層において、一旦メサストライプ３４の加工を完了した上で、メサストライプ３４の側部全体にｉ−ＩｎＰまたはＳＩ−ＩｎＰを用いて積み増すことによって、活性層へ効果的に電流を注入可能とし、同時に電界強度分布における凹み、くびれなどの形状歪みを改善する。 In the ridge waveguide type semiconductor laser of the present invention, in the p-InP layer, once the processing of the mesa stripe 34 is completed, the entire side portion of the mesa stripe 34 is stacked using i-InP or SI-InP. Thus, current can be effectively injected into the active layer, and at the same time, shape distortion such as dents and constriction in the electric field strength distribution is improved.
以下では、本発明のリッジ導波路型半導体レーザにおける緩衝層が効果的に機能できる具体的な構造を明らかにするために、コア層近傍における電界強度分布のシミュレーションを行う。シミュレーションにより電界強度分布の凹み、くびれなどの形状歪みを改善可能な導波路および緩衝層の構成を明らかにした。図３に示した緩衝層３５ａ、３５ｂにおいて、コア層３２との距離が近く、光が感じるメサストライプ３４の側部の屈折率により大きな影響を与え得る点から、緩衝層の基板面に垂直な方向の厚さｔに着目した。さらに、光閉じ込めに大きな影響を与えるコア層の厚さｔcoreも同時に考慮した。緩衝層の厚さｔ [ｎｍ]を調整することによって、シングルモード動作が可能であって同時に電界強度分布の歪みを軽減してより円形状に近づけることのできる範囲を求めた。 In the following, in order to clarify a specific structure in which the buffer layer in the ridge waveguide type semiconductor laser of the present invention can function effectively, a simulation of the electric field intensity distribution in the vicinity of the core layer is performed. The structure of the waveguide and the buffer layer that can improve the shape distortion such as the dent and constriction of the electric field strength distribution was clarified by the simulation. The buffer layers 35a and 35b shown in FIG. 3 are perpendicular to the substrate surface of the buffer layer because they are close to the core layer 32 and can greatly affect the refractive index of the side of the mesa stripe 34 where light is felt. Attention was paid to the thickness t in the direction. Furthermore, the thickness t core of the core layer, which has a great influence on optical confinement, was also considered. By adjusting the thickness t [nm] of the buffer layer, a range in which single mode operation is possible and at the same time, the distortion of the electric field strength distribution can be reduced to make it closer to a circular shape was obtained.
以下の電界強度分布のシミュレーションでは、まずコア層の厚さｔcoreを固定し、異なる緩衝層の厚さtに対する複数の電界強度分布を計算により求めた。ここで、コア層の厚さｔcoreは、ＭＱＷ層厚およびＳＣＨ（光閉じ込め：Separated Confinement Heterostructure）層厚の合計の厚さとする。各コア層の厚さにおけるシミュレーションでは、横方向の光閉じ込めが実現できなくなるために高次モードが発生する最大の緩衝層厚さtを求める。さらに円形状の理想的な電界強度分布との重なり積分を計算することによって光ファイバとの結合効率を求め、この結合効率を指標として、電界強度分布の凹み、くびれなどの形状歪みを改善可能な最適な緩衝層厚さｔを求めた。コア層における電界強度分布の凹み、くびれなどの形状歪みが低減されれば、上記指標である結合効率が高くなり、レンズを介して発振光を光ファイバに結合する場合の損失が小さくなる。 In the following simulation of electric field intensity distribution, first, the core layer thickness t core was fixed, and a plurality of electric field intensity distributions for different buffer layer thicknesses t were obtained by calculation. Here, the thickness t core of the core layer is the total thickness of the MQW layer thickness and the SCH (Separated Confinement Heterostructure) layer thickness. In the simulation for the thickness of each core layer, the maximum buffer layer thickness t at which a higher-order mode is generated because the optical confinement in the lateral direction cannot be realized is obtained. Furthermore, the coupling efficiency with the optical fiber can be obtained by calculating the overlap integral with the ideal electric field strength distribution in a circular shape. Using this coupling efficiency as an index, shape distortion such as dents and constriction in the field strength distribution can be improved. The optimum buffer layer thickness t was determined. If the shape distortion such as the dent and constriction of the electric field intensity distribution in the core layer is reduced, the coupling efficiency as the index is increased, and the loss when coupling the oscillation light to the optical fiber through the lens is reduced.
結合効率は、円形状の理想的な電界強度分布と、シミュレーションで求まられた電界強度分布の重なり積分として求めることができる。すなわち、重なり積分の計算法は、それぞれの電界強度をＡ(x,y)、Ｂ(x,y)とした時に次式で表すことができる。 The coupling efficiency can be obtained as an overlap integral of an ideal electric field intensity distribution having a circular shape and an electric field intensity distribution obtained by simulation. That is, the calculation method of the overlap integral can be expressed by the following equation when each electric field strength is A (x, y) and B (x, y).
∬Ａ(x,y)Ｂ(x,y)dxdy／(Ａ2×Ｂ2)
リッジ導波路型半導体レーザでは、基板端面近くに配置する結合用レンズのタイプの選定次第で倍率等を変更できるため、発振光の形状は、縦方向（基板面に垂直な方向）または横方向（基板面に平行な方向）の少なくとも一方において、拡大（または縮小）したときに真円とすることができれば良い。したがって、本発明において電界強度分布を円形状とすることは、レンズによって発振光を拡大または縮小するデバイス実働時の操作を含めて、電界強度分を円形状とすることである点に留意されたい。
∬A (x, y) B (x, y) dxdy / (A 2 × B 2 )
In the ridge waveguide type semiconductor laser, since the magnification and the like can be changed depending on the selection of the type of coupling lens arranged near the substrate end face, the shape of the oscillation light can be in the vertical direction (direction perpendicular to the substrate surface) or the horizontal direction ( It suffices if a perfect circle can be formed when enlarged (or reduced) in at least one of the directions parallel to the substrate surface. Therefore, it should be noted that in the present invention, the circular electric field intensity distribution means that the electric field intensity component is circular, including operation during device operation in which the oscillation light is enlarged or reduced by the lens. .
以下の電界強度分布のシミュレーションは、図２で既に示した従来技術のリッジ型およびＢＨ型の電界強度分布を含め、アポロフォトニクス社の導波路解析ソフト(ＡＰＳＳ)を用いて計算を行った。図２に示した電界強度分布の計算では、コア層３２は一般的な厚さとして２８０ｎｍを用い、コア層３２の屈折率は一般的なＩｎＰの値の３．３４８とした。また、ＩｎＰ基板、ｐ−ＩｎＰメサストライプの屈折率は３．１７とした。メサストライプ３４の幅は、発振波長１．３μｍ、１．５５μｍの半導体レーザで一般的に利用される構造例として、１．７μｍを利用した。以下のシミュレーションでは、指定がない場合には上記のコア層の厚さｔcore、屈折率、メサストライプ幅のパラメータを使用している。 The following simulation of electric field intensity distribution was performed using Apollo Photonics' waveguide analysis software (APSS), including the conventional ridge type and BH type electric field intensity distributions already shown in FIG. In the calculation of the electric field intensity distribution shown in FIG. 2, the core layer 32 has a general thickness of 280 nm, and the core layer 32 has a refractive index of 3.348, which is a general InP value. The refractive index of the InP substrate and p-InP mesa stripe was 3.17. As the width of the mesa stripe 34, 1.7 μm is used as a structural example generally used in a semiconductor laser having an oscillation wavelength of 1.3 μm and 1.55 μm. In the following simulation, the parameters of the core layer thickness t core , refractive index, and mesa stripe width are used unless otherwise specified.
以下のシミュレーションにおいては、メサストライプの両脇は、空気（屈折率１）として計算した。半導体レーザを変調器として利用する場合には、変調電極を構成することが必要であり、高速変調のためにＢＣＢなどの低誘電率材料でメサストライプの側部を埋め込むことになる。しかし、ＢＣＢの屈折率は、１．５程度であって、空気の屈折率１と大差が無く、電界分布のＢＣＢへの広がりも非常に少ない。シミュレーションの結果には大差が無いと考えられるため、簡単のためサストライプの両脇は、空気（屈折率１）として計算した。 In the following simulation, calculation was performed on both sides of the mesa stripe as air (refractive index 1). When a semiconductor laser is used as a modulator, it is necessary to form a modulation electrode, and the side portion of the mesa stripe is buried with a low dielectric constant material such as BCB for high-speed modulation. However, the refractive index of BCB is about 1.5, which is not significantly different from the refractive index of air 1, and the spread of the electric field distribution to BCB is very small. Since it is considered that there is no great difference in the simulation results, for simplicity, both sides of the stripe were calculated as air (refractive index 1).
後述するように本発明における緩衝層は、メサストライプを形成後にＣＶＤなどによって結晶成長させて作製する。このため、図３を再び参照すれば、緩衝層はエッチストップ層上に基板面に垂直に縦方向に堆積するたけでなく、メサストライプの側壁上に横方向にも堆積する。以下のシミュレーションでは、一般的な実際のプロセスで作製される緩衝層の形状なども考慮して、エッチストップ層上の厚さをｔとするときに、側壁上の横方向の厚さは、ｔ／３として計算した。本発明では、エッチストップ層上に基板面に垂直に形成された縦方向の厚さｔで規定する。 As will be described later, the buffer layer in the present invention is formed by crystal growth by CVD or the like after the mesa stripe is formed. Therefore, referring to FIG. 3 again, the buffer layer is deposited not only on the etch stop layer in the vertical direction perpendicular to the substrate surface but also on the side wall of the mesa stripe. In the following simulation, considering the shape of the buffer layer manufactured by a general actual process, and the like, when the thickness on the etch stop layer is t, the lateral thickness on the sidewall is t Calculated as / 3. In the present invention, it is defined by the thickness t in the vertical direction formed perpendicularly to the substrate surface on the etch stop layer.
以下の本発明のリッジ導波路型半導体レーザのシミュレーションでは、コア層の厚さｔcoreを変更しながら、本発明の緩衝層の構造が電界強度分布の形状の改善効果を与えることができるコア層の厚さｔcoreを求める。次に、具体的な何種類かのコア層の厚さｔcoreを固定した条件下で、緩衝層の厚さｔを変化させて光が感じるメサストライプの側部の実質的な屈折率を変化させ、本発明が電界強度分布形状の改善効果を与えることができる緩衝層の厚さｔの範囲を求めた。最適な構成を求めるにあたっては考慮すべきは、緩衝層の厚さｔを大きくし過ぎると、横方向の光閉じ込めを実現できなくなり、横方向の高次モード光を生じてしまうことである。一方、逆に緩衝層の厚さｔが小さすぎると電界強度分布形状の改善効果が無くなってしまう。したがって、本発明のリッジ導波路型半導体レーザのコア層、メサストライプおよび緩衝層によって規定されるコア領域における電界強度分布が、単一の対称モードのみが存在し、かつ、高次の反対称モードが存在しないように、コア層厚さｔcoreおよび緩衝層厚さｔを設定する。上記を念頭に、まず、緩衝層の厚さtの上限値をシミュレーション結果から示す。 In the following simulation of the ridge waveguide type semiconductor laser of the present invention, the structure of the buffer layer of the present invention can provide an effect of improving the shape of the electric field strength distribution while changing the thickness t core of the core layer. Find the thickness t core of. Next, under the condition that the core thickness t core of several specific types is fixed, the thickness t of the buffer layer is changed to change the substantial refractive index of the side of the mesa stripe where the light feels. Then, the range of the thickness t of the buffer layer that the present invention can give the improvement effect of the electric field strength distribution shape was obtained. When determining the optimum configuration, if the thickness t of the buffer layer is too large, lateral light confinement cannot be realized, and lateral high-order mode light is generated. On the other hand, if the thickness t of the buffer layer is too small, the effect of improving the electric field strength distribution shape is lost. Therefore, the electric field intensity distribution in the core region defined by the core layer, the mesa stripe, and the buffer layer of the ridge waveguide semiconductor laser of the present invention has only a single symmetric mode, and a higher-order antisymmetric mode. The core layer thickness t core and the buffer layer thickness t are set so that there is no. With the above in mind, first, the upper limit value of the thickness t of the buffer layer is shown from the simulation results.
図４は、コア層の厚さｔcoreを標準的な２８０ｎｍとしたときの高次モードの電界強度分布を示す図である。図４の（ａ）に緩衝層の厚さｔが７５ｎｍの場合を、図４の（ｂ）に緩衝層の厚さｔが１００ｎｍの場合を示した。コア層の厚さｔcoreは、ＭＱＷ層およびＳＣＨ層の合計厚さである。一般に半導体レーザでは、発振光としてレーザ光束の横断面における光強度分布が中央部で最大となる最も単純なシングルモード光であることが求められる。したがって、シングルモード光が導波路のコア部に集中し、かつ、シングルモード光以外の高次モード光が発生しないかもしくは導波路のコア部内に存在しないことが求められる。 FIG. 4 is a diagram showing a high-order mode electric field strength distribution when the thickness t core of the core layer is a standard 280 nm. FIG. 4A shows the case where the buffer layer thickness t is 75 nm, and FIG. 4B shows the case where the buffer layer thickness t is 100 nm. The core layer thickness t core is the total thickness of the MQW layer and the SCH layer. In general, a semiconductor laser is required to be the simplest single mode light in which the light intensity distribution in the cross section of a laser beam is the maximum at the center as oscillation light. Therefore, it is required that the single mode light is concentrated on the core portion of the waveguide and that higher-order mode light other than the single mode light is not generated or does not exist in the core portion of the waveguide.
図４に示した２つの電界強度分布は、最初の高次モードである１次の反対称（非対称）モードを示している。２つのシミュレーション表示上で、コア層に沿った左右のａ、ｂで示した剣先状のやや暗い部分が電界強度最大となっている。この２つの最大電界部分から周辺に向かって電界強度が下がっており、コア中央部の隙間状の最も暗い部分が電界強度最小となっている。図４の（ａ）を参照すれば、ｔ＝７５ｎｍの場合では、反対称モードの電界強度分布は導波路内に閉じ込められずに基板側に放射されている。一方、図４の（ｂ）を参照すればｔ＝１００ｎｍの場合では、高次モードである1次の反対称モードが導波路内に閉じ込められており、ｔ＝１００ｎｍのリッジ型導波路がもはやシングルモードで動作していないことを示している。（ａ）および（ｂ）の両者の計算結果によれば、半導体レーザに基本的に求められる発振モードの観点から、本発明のリッジ導波路型半導体レーザにおける緩衝層の厚さｔの上限値は概ね７５ｎｍであると見積もることができる。 The two electric field intensity distributions shown in FIG. 4 indicate the first-order antisymmetric (asymmetric) mode that is the first higher-order mode. On the two simulation displays, the sword-shaped slightly dark portions indicated by the left and right a and b along the core layer have the maximum electric field strength. The electric field strength decreases from these two maximum electric field portions toward the periphery, and the darkest portion in the gap shape at the center of the core has the minimum electric field strength. Referring to FIG. 4A, when t = 75 nm, the electric field intensity distribution in the antisymmetric mode is radiated to the substrate side without being confined in the waveguide. On the other hand, referring to FIG. 4B, when t = 100 nm, the first-order antisymmetric mode, which is a higher-order mode, is confined in the waveguide, and the ridge-type waveguide of t = 100 nm is no longer present. Indicates that it is not operating in single mode. According to the calculation results of both (a) and (b), from the viewpoint of the oscillation mode basically required for the semiconductor laser, the upper limit value of the buffer layer thickness t in the ridge waveguide semiconductor laser of the present invention is It can be estimated to be approximately 75 nm.
次に、発振モードがシングルモードである上述の緩衝層の厚さｔの条件下（ｔ＜７５ｎｍ）で、緩衝層の厚さｔを変化させたときに、シングルモードに対応する対称モードの電界強度分布についてシミュレーション計算した。先に定義したように、理想円形状の電界強度分布と、シミュレーション計算した電界強度分布との重なり積分を計算することで、結合効率（％）を求めた。この結合効率は、リッジ型導波路の電界強度分布が円形形状との一致している程度を示し、１００％であれば、電界強度分布が完全な円形（真円）であることを意味する。このとき、光ファイバとの結合も最大となり、損失が生じない。 Next, when the thickness t of the buffer layer is changed under the condition of the thickness t of the buffer layer (t <75 nm) in which the oscillation mode is the single mode, an electric field of a symmetric mode corresponding to the single mode. Simulation calculation was performed on the intensity distribution. As defined above, the coupling efficiency (%) was obtained by calculating the overlap integral between the electric field intensity distribution having an ideal circular shape and the electric field intensity distribution calculated by simulation. This coupling efficiency indicates the degree to which the electric field intensity distribution of the ridge-type waveguide coincides with the circular shape, and if it is 100%, it means that the electric field intensity distribution is a perfect circle (perfect circle). At this time, the coupling with the optical fiber is maximized and no loss occurs.
図５は、コア層の厚さｔcoreを標準的な２８０ｎｍとしたときのシングルモードの電界強度分布を示す図である。図５の（ａ）に緩衝層の厚さｔが２５ｎｍの場合を、（ｂ）に緩衝層の厚さｔが５０ｎｍの場合を、（ｃ）に緩衝層の厚さｔが７５ｎｍの場合をそれぞれ示した。図５でも、電界強度分布を示す濃淡がカラー表示をモノクロに変換して表現している。シミュレーション表示上で、ＵＦＯ様の形の中心部ｃのやや暗い部分が電界強度最大となっており、ここから周辺部に向かって、電界強度が徐々に単調に減少している。直感的にはややわかりにくいが、緩衝層の厚さｔが大きく（厚く）なるに従い、光はメサストライプ構造による横方向の急激な屈折率の変化を感じ難くなるため、メサストライプ下部の稜線（際）近くの部分での電界強度分布の凹み、くぼみの程度が抑制されている。 FIG. 5 is a diagram showing a single-mode electric field intensity distribution when the core layer thickness t core is 280 nm. FIG. 5A shows a case where the buffer layer thickness t is 25 nm, FIG. 5B shows a case where the buffer layer thickness t is 50 nm, and FIG. 5C shows a case where the buffer layer thickness t is 75 nm. Shown respectively. Also in FIG. 5, the shading indicating the electric field intensity distribution is expressed by converting the color display to monochrome. On the simulation display, the slightly dark portion of the central portion c of UFO-like shape has the maximum electric field strength, and the electric field strength gradually decreases monotonously from here to the peripheral portion. Although it is somewhat difficult to understand intuitively, as the thickness t of the buffer layer increases (thick), it becomes difficult for light to perceive a sudden change in the refractive index in the lateral direction due to the mesa stripe structure. B) The degree of dents and dents in the electric field intensity distribution in the vicinity is suppressed.
図６は、コア層の厚さｔcoreを標準的な２８０ｎｍとしたときの結合効率と緩衝層の厚さｔとの関係を示すグラフである。図６のグラフを参照すれば、結合効率は緩衝層の厚さｔが大きくなるにしたがって上昇し、線ｂで示した２５ｎｍ＜ｔの範囲では、結合効率が９５％以上となる。図４に示した高次モードの電界強度分布および図５のシングルモード電界強度分布を考慮すると、シングルモード動作の条件が実現できる緩衝層の厚さｔの上限値は、線ａで示したように概ね７５ｎｍである。したがって、コア層の厚さｔcoreが標準的な２８０ｎｍの場合では、緩衝層の厚さｔが、概ね２５ｎｍ＜ｔ＜７５ｎｍの範囲において、シングルモード動作と高い結合効率を同時に実現することが可能であって、本発明のリッジ導波路型半導体レーザが有効に動作する。次に、標準的なコア厚ではない場合について、検討する。 FIG. 6 is a graph showing the relationship between the coupling efficiency and the buffer layer thickness t when the core layer thickness t core is 280 nm. Referring to the graph of FIG. 6, the coupling efficiency increases as the buffer layer thickness t increases, and the coupling efficiency is 95% or more in the range of 25 nm <t indicated by the line b. Considering the higher-order mode field strength distribution shown in FIG. 4 and the single-mode field strength distribution shown in FIG. 5, the upper limit value of the buffer layer thickness t that can realize the single-mode operation condition is as shown by the line a. Is approximately 75 nm. Therefore, when the core layer thickness t core is a standard 280 nm, single mode operation and high coupling efficiency can be realized at the same time when the buffer layer thickness t is approximately 25 nm <t <75 nm. Thus, the ridge waveguide semiconductor laser of the present invention operates effectively. Next, the case where the standard core thickness is not considered.
図７は、コア層の厚さｔcoreを極めて薄い１５０ｎｍとしたときの高次モードの電界強度分布を示す図である。コア厚ｔcore＝１５０ｎｍとし、コア層の屈折率を３．３４８、緩衝層の厚さｔ＝０ｎｍの場合の計算結果を示している。図４〜図６で示したコア層の厚さｔcoreが２８０ｎｍの場合と比べて、コア層が薄いためにコア層における光閉じ込めの程度が下がる。図７では、シミュレーション表示のａ、ｂで示した下の左右の２つの角の部分（導波路がであって基板内）で電界強度が最大となっており、この部分から中央および上方（メサストライプ）に向かって概ね斜めに徐々に電界強度が下がっている。リッジ導波路を形成したときの両脇の空気（または埋め込みＢＣＢ）の屈折率の影響によって、電界強度分布がコア層から下方の基板側へ押し下げられ、結果として、従来技術の構成に対応する緩衝層の厚さｔ＝０の場合においてもシングルモード導波路を実現することができなかった。そこで、次にシングルモードで動作できる下限のコア層の厚さｔcoreを求めた。 FIG. 7 is a diagram showing a high-order mode electric field intensity distribution when the core layer thickness t core is set to an extremely thin 150 nm. The calculation results are shown when the core thickness t core = 150 nm, the core layer refractive index is 3.348, and the buffer layer thickness t = 0 nm. Compared to the case where the thickness t core of the core layer shown in FIGS. 4 to 6 is 280 nm, the degree of light confinement in the core layer is reduced because the core layer is thin. In FIG. 7, the electric field strength is maximum at the lower left and right corner portions (the waveguide is in the substrate) indicated by a and b in the simulation display. The electric field strength gradually decreases obliquely toward the stripe. The electric field strength distribution is pushed down from the core layer to the lower substrate side due to the influence of the refractive index of the air (or embedded BCB) on both sides when the ridge waveguide is formed. As a result, the buffer corresponding to the configuration of the prior art Even in the case of the layer thickness t = 0, a single mode waveguide could not be realized. Therefore, the lower limit core layer thickness t core that can be operated in the single mode was obtained.
図８は、コア層の厚さｔcoreをやや増やして１８０ｎｍとしたときのシングルモードの電界強度分布を示す図である。図８の（ａ）に緩衝層の厚さｔが０ｎｍの場合を、（ｂ）に緩衝層の厚さｔが６０ｎｍの場合を、（ｃ）に緩衝層の厚さｔが１５０ｎｍの場合をそれぞれ示した。ＵＦＯ様の形状の中心部のやや暗い部分が電界強度最大となっている。（ａ）の緩衝層の厚さｔが０ｎｍの場合は、空気とメサストライプとの間の横方向の屈折率差が直接コア層に影響するために、下方の基板方向に光閉じ込めが漏れてきているが、緩衝層の厚さｔが大きくなるに従い、メサストライプの直下のコア層の中心部にピークが鮮明となり、シングルモード導波路となっていることが確認できる。図８の電界強度分布から、コア層の最小厚さは１８０ｎｍとした。次にコア層の厚さｔcore＝１８０ｎｍ時に、シングルモード導波路を実現するための緩衝層の厚さｔについて述べる。 FIG. 8 is a diagram showing a single-mode electric field intensity distribution when the core layer thickness t core is slightly increased to 180 nm. FIG. 8A shows a case where the buffer layer thickness t is 0 nm, FIG. 8B shows a case where the buffer layer thickness t is 60 nm, and FIG. 8C shows a case where the buffer layer thickness t is 150 nm. Shown respectively. The slightly darker portion in the center of the UFO-like shape has the maximum electric field strength. When the thickness t of the buffer layer (a) is 0 nm, the difference in the refractive index in the lateral direction between air and the mesa stripe directly affects the core layer, so that light confinement leaks in the direction of the substrate below. However, as the thickness t of the buffer layer increases, the peak becomes clear at the center of the core layer immediately below the mesa stripe, confirming that it is a single mode waveguide. From the electric field intensity distribution of FIG. 8, the minimum thickness of the core layer was set to 180 nm. Next, the thickness t of the buffer layer for realizing the single mode waveguide when the core layer thickness t core = 180 nm will be described.
図９は、コア層の厚さｔcoreを１８０ｎｍとしたときの高次モードの電界強度分布を示す図である。図９の（ａ）に緩衝層の厚さｔが１２０ｎｍの場合を、（ｂ）に緩衝層の厚さｔが１５０ｎｍの場合を、（ｃ）に緩衝層の厚さｔが２００ｎｍの場合をそれぞれ示した。シミュレーション表示上において、ａ、ｂで表示した図面のコア層に沿った両端の剣先状のやや暗い部分が最も電界強度の高い部分である。この最大部分から周辺に向かって電界強度が徐々に下がっている。緩衝層の厚さｔが１２０ｎｍおよび１５０ｎｍの場合、最初の高次モードである反対称モードはコア層内に閉じ込められずに基板側に放射されている。一方で緩衝層の厚さｔが２００ｎｍの場合においては、最初の高次モードである反対称モードがコア層内に閉じ込められており、このリッジ型導波路がシングルモードではないことを示している。これらの計算結果からは、コア層の厚さｔcoreを１８０ｎｍとしたとき、半導体レーザに基本的に求められる発振モードの観点から、本発明のリッジ導波路型半導体レーザにおける緩衝層の厚さｔの上限値は、概ね２００ｎｍであると見積もることができる。 FIG. 9 is a diagram showing a high-order mode electric field intensity distribution when the core layer thickness t core is 180 nm. FIG. 9A shows a case where the buffer layer thickness t is 120 nm, FIG. 9B shows a case where the buffer layer thickness t is 150 nm, and FIG. 9C shows a case where the buffer layer thickness t is 200 nm. Shown respectively. On the simulation display, the sword-shaped slightly dark portions at both ends along the core layer of the drawings indicated by a and b are the portions with the highest electric field strength. The electric field strength gradually decreases from the maximum portion toward the periphery. When the thickness t of the buffer layer is 120 nm and 150 nm, the antisymmetric mode, which is the first higher-order mode, is emitted to the substrate side without being confined in the core layer. On the other hand, when the thickness t of the buffer layer is 200 nm, the antisymmetric mode, which is the first higher-order mode, is confined in the core layer, indicating that this ridge-type waveguide is not single mode. . From these calculation results, when the core layer thickness t core is 180 nm, the buffer layer thickness t in the ridge waveguide semiconductor laser of the present invention is from the viewpoint of the oscillation mode basically required for the semiconductor laser. Can be estimated to be approximately 200 nm.
図１０は、コア層の厚さｔｃｏｒｅを１８０ｎｍとしたときの結合効率と緩衝層の厚さｔとの間の関係を示すグラフである。図１０によれば、結合効率は緩衝層の厚さtが大きくなるにしたがって上昇し、線ｂで示したように１２０ｎｍ＜ｔの範囲において結合効率が９５％以上となる。一方、緩衝層の厚さtが概ね２００ｎｍに達すると、結合効率はむしろ低下している。 FIG. 10 is a graph showing the relationship between the coupling efficiency and the buffer layer thickness t when the core layer thickness tcore is 180 nm. According to FIG. 10, the coupling efficiency increases as the thickness t of the buffer layer increases, and the coupling efficiency is 95% or more in the range of 120 nm <t as shown by the line b. On the other hand, when the thickness t of the buffer layer reaches approximately 200 nm, the coupling efficiency rather decreases.
図９の（ｃ）に示した緩衝層の厚さｔが２００ｎｍの場合でコア層内に高次モードの電界強度分布が認められたことも考慮すると、シングルモード動作の条件が実現できる緩衝層の厚さｔの上限値は、線ａで示したように概ね１８０ｎｍと考えることができる。したがって、コア層の厚さｔcoreが１８０ｎｍの場合では、緩衝層の厚さｔが、線ｂで示したように概ね１２０ｎｍ＜ｔ＜１８０ｎｍの範囲において、シングルモード動作および高い結合効率を同時に実現することが可能であり、本発明のリッジ導波路型半導体レーザは有効に動作する。 In consideration of the fact that a high-order mode electric field strength distribution is recognized in the core layer when the thickness t of the buffer layer shown in FIG. 9C is 200 nm, the buffer layer capable of realizing the condition of the single mode operation. The upper limit value of the thickness t can be considered to be approximately 180 nm as indicated by the line a. Therefore, when the core layer thickness t core is 180 nm, single mode operation and high coupling efficiency are simultaneously realized when the buffer layer thickness t is in the range of approximately 120 nm <t <180 nm as shown by the line b. Therefore, the ridge waveguide semiconductor laser of the present invention operates effectively.
図６のコア層の厚さｔcoreが２８０ｎｍの場合、および、図１０のコア層の厚さｔcoreが１８０ｎｍの場合の中間の状態として、コア層の厚さｔcoreを２３０ｎｍとして、上述の各場合と同様のシミュレーション計算を行った。シングルモード動作の条件および結合効率が９５％以上となる両条件から、本発明のリッジ導波路型半導体レーザにおける緩衝層の厚さｔの上限値および下限値を求めた。 When the core layer thickness t core of FIG. 6 is 280 nm and the core layer thickness t core of FIG. 10 is 180 nm, the core layer thickness t core is 230 nm. The same simulation calculation was performed as in each case. The upper limit value and the lower limit value of the thickness t of the buffer layer in the ridge waveguide semiconductor laser of the present invention were determined from both the single mode operation condition and the coupling efficiency of 95% or more.
図１１は、コア層の厚さｔcoreが１８０、２３０、２８０の場合の緩衝層の厚さｔの上限値および下限値を示した図である。図１１によれば、本発明のリッジ導波路型半導体レーザにおいて、緩衝層による電界強度分布形状の改善の効果を得ることができるのは、線ｃで示したように、シングルモード条件からコア層の厚さｔcoreが１８０ｎｍ以上である。また、シングルモード条件および結合効率の改善の条件から、コア層の厚さｔcoreが１８０ｎｍの場合は、緩衝層の厚さｔが概ね１２０ｎｍ以上で１８０ｎｍ以下、コア層の厚さｔcoreが２３０ｎｍの場合は緩衝層の厚さｔが概ね７０ｎｍ以上で１２０ｎｍ以下、コア層の厚さｔcoreが２８０ｎｍの場合は緩衝層の厚さｔが概ね２５ｎｍ以上で７５ｎｍ以下の各範囲で良好な結合効率が得られることがわかる。尚、コア層の厚さｔcoreが２８０ｎｍを越えると、緩衝層の厚さｔが０に近づき従来技術の構成に近づいてしまうことになる。したがって、図１１の線ａ、線ｂ、線ｃ上の６つのプロット点で囲まれる四角形上およびその内側の領域にあるコア層厚さｔcoreおよび緩衝層の厚さｔの組み合わせにおいて、本発明のリッジ導波路型半導体レーザは有効に動作する。 FIG. 11 is a diagram showing the upper limit value and the lower limit value of the buffer layer thickness t when the core layer thickness t core is 180, 230, and 280. FIG. According to FIG. 11, in the ridge waveguide semiconductor laser of the present invention, the effect of improving the electric field strength distribution shape by the buffer layer can be obtained from the core layer from the single mode condition as shown by the line c. The thickness t core is 180 nm or more. In addition, when the core layer thickness t core is 180 nm, the buffer layer thickness t is approximately 120 nm or more and 180 nm or less, and the core layer thickness t core is 230 nm due to the single mode condition and the coupling efficiency improvement condition. When the buffer layer thickness t is approximately 70 nm to 120 nm, and the core layer thickness t core is 280 nm, the buffer layer thickness t is approximately 25 nm to 75 nm. It can be seen that If the thickness t core of the core layer exceeds 280 nm, the thickness t of the buffer layer approaches 0 and approaches the structure of the prior art. Therefore, in the combination of the core layer thickness t core and the buffer layer thickness t on the rectangle surrounded by the six plot points on the lines a, b, and c in FIG. The ridge waveguide type semiconductor laser operates effectively.
上述の電界強度分布の各計算は、コア層の屈折率を、ＩｎＰ基板の上に成長したＩｎＧａＡｌＡｓ活性層の値の３．３４８として行われた。しかし、１．３μｍまたは１．５５μｍの波長において発光機能を与える他の材料をコア層として用いても、これらの材料の屈折率は、上述のＩｎＧａＡｌＡｓ活性層の屈折率と比べ大きな差異は無い。このため、上述の検討で求められた図１１の領域の範囲内で緩衝層の厚さtの厚さをわずかに調整することで、コア層がＩｎＧａＡｌＡｓの場合と同様の効果を得ることができる。コア層の他の材料としては、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓなどが挙げられる。 Each calculation of the electric field strength distribution described above was performed by setting the refractive index of the core layer to 3.348, which is the value of the InGaAlAs active layer grown on the InP substrate. However, even if other materials that give a light emitting function at a wavelength of 1.3 μm or 1.55 μm are used as the core layer, the refractive indexes of these materials are not significantly different from those of the above-described InGaAlAs active layer. For this reason, by adjusting the thickness of the buffer layer thickness t slightly within the range of the region shown in FIG. 11 obtained by the above-described examination, the same effect as the case where the core layer is InGaAlAs can be obtained. . Other materials for the core layer include InGaAsP, InAlAs, InGaAs, and the like.
本発明のリッジ導波路型半導体レーザでは、メサストライプの側壁およびコア層の上部に、半導体基板と同じ組成を持つ半導体層である緩衝層を設けることによって、電界強度分布形状の歪みの改善が可能となる。実際に半導体レーザを作製する際は、図２の（ａ）に示したように絶縁膜１５を形成するため、この絶縁膜１５による物理的応力がコア層１２にも加わる。本発明のリッジ導波路型半導体レーザにおいて、緩衝層３５ａ、３５ｂを導入することによって、この絶縁膜からの応力を低減することもできる。電界強度分布形状の改善と合わせて、レーザ素子の信頼性特性の向上も同時に実現することができる。次に、本発明のリッジ導波路型半導体レーザを実際に作製した実施例について説明する。 In the ridge waveguide semiconductor laser of the present invention, the distortion of the electric field intensity distribution shape can be improved by providing a buffer layer, which is a semiconductor layer having the same composition as the semiconductor substrate, on the side wall of the mesa stripe and the upper part of the core layer. It becomes. When actually manufacturing a semiconductor laser, the insulating film 15 is formed as shown in FIG. 2A, and physical stress due to the insulating film 15 is also applied to the core layer 12. In the ridge waveguide type semiconductor laser of the present invention, the stress from the insulating film can be reduced by introducing the buffer layers 35a and 35b. Along with the improvement of the electric field intensity distribution shape, the reliability characteristics of the laser element can be improved at the same time. Next, an example in which the ridge waveguide semiconductor laser of the present invention was actually manufactured will be described.
［実施例１］
図１２は、本発明のリッジ導波路型半導体レーザの実施例１の構成を示す図である。上図は実施例1の構造を示している。ＩｎＰ基板１０１の上のコア層１０２をＩｎＧａＡｌＡｓから形成している。コア層１０２の厚さは２３０ｎｍとした。コア層１０２の上には、ＩｎＧａＡｓＰのエッチングストップ層１０３が形成され、さらにその上にｐ−ＩｎＰ層が形成される。メサストライプの幅は１．７μｍであり、発振波長は１．５５μｍである。
[Example 1]
FIG. 12 is a diagram showing a configuration of Example 1 of the ridge waveguide semiconductor laser according to the present invention. The upper figure shows the structure of the first embodiment. The core layer 102 on the InP substrate 101 is formed from InGaAlAs. The thickness of the core layer 102 was 230 nm. An InGaAsP etching stop layer 103 is formed on the core layer 102, and a p-InP layer is further formed thereon. The width of the mesa stripe is 1.7 μm, and the oscillation wavelength is 1.55 μm.
図１２のリッジ導波路型半導体レーザの作製は、まずｐ−ＩｎＰ層を導波路状に加工し、ＩｎＧａＡｓＰ層１０３でエッチングをストップする。その後、エッチングに用いた絶縁膜（図には示されていない）を用いて、緩衝層１０７ａ、１０７ｂとして、ＭＯＣＶＤ法を使用してｉ−ＩｎＰを３０ｎｍ結晶成長する。その後エッチングに用いた絶縁膜を除去し、図１２に示された絶縁膜１０５ａ、１０５ｂを形成する。さらに低誘電率材料であるＢＣＢによりメサストライプ１０４の両脇を埋め込んで、メサ形状を平坦化し、その上に電極パッド１０６を形成した。電極パッドは、電流注入の他に、変調電極としても利用される。したがって、本発明のリッジ導波路型半導体レーザは、メサストライプの側部を覆う低誘電率材料と、前記低誘電率材料の一部および前記メサストライプの上に形成された変調電極とを備えたことを特徴とする直接変調レーザ光源としても利用できる。 In the manufacture of the ridge waveguide semiconductor laser shown in FIG. 12, the p-InP layer is first processed into a waveguide shape, and etching is stopped at the InGaAsP layer 103. After that, using the insulating film (not shown) used for etching, 30 nm of i-InP is grown as the buffer layers 107a and 107b using the MOCVD method. Thereafter, the insulating film used for the etching is removed, and insulating films 105a and 105b shown in FIG. 12 are formed. Further, both sides of the mesa stripe 104 were buried with BCB, which is a low dielectric constant material, to flatten the mesa shape, and an electrode pad 106 was formed thereon. The electrode pad is used as a modulation electrode in addition to current injection. Therefore, the ridge waveguide type semiconductor laser of the present invention includes a low dielectric constant material covering the side portion of the mesa stripe, a part of the low dielectric constant material, and a modulation electrode formed on the mesa stripe. It can also be used as a direct modulation laser light source characterized by this.
作製したリッジ導波路型半導体レーザを、レンズを介して、波長１３１０ｎｍでモードフィールド系９μｍのシングルモードファイバ光ファイバに結合したところ、結合損失１ｄＢ以下（結合効率は８０％に相当）の良好な実装状態を実現できた。さらに８５℃で発振閾値電流が１５ｍＡ以下、１５０ｍＡ注入電流の下で４０ｍＷの光出力を実現した。 When the fabricated ridge waveguide type semiconductor laser is coupled to a single mode fiber optical fiber having a mode field system of 9 μm at a wavelength of 1310 nm through a lens, a good mounting with a coupling loss of 1 dB or less (coupling efficiency is equivalent to 80%) The state was realized. Furthermore, an optical output of 40 mW was realized at 85 ° C. with an oscillation threshold current of 15 mA or less and a 150 mA injection current.
［実施例２］
本実施例では、図１２に示した実施例１と同一の構成であって発振波長の異なる構成例を示す。本実施例では、コア層をＩｎＧａＡｌＡｓから形成している。コア層の厚さは１８０ｎｍとした。メサストライプの幅は１．８μｍであり、発振波長は１．３０μｍである。
[Example 2]
In this embodiment, a configuration example having the same configuration as that of the first embodiment shown in FIG. In this embodiment, the core layer is made of InGaAlAs. The thickness of the core layer was 180 nm. The width of the mesa stripe is 1.8 μm, and the oscillation wavelength is 1.30 μm.
作製方法は、実施例1と同様である。作製したレーザを、レンズを介して同様の光ファイバに結合したところ、結合損失１ｄＢ以下（結合効率で８０％に相当）の良好な実装状態が実現できた。さらに８５℃で発振閾値が１５ｍＡ以下、１５０ｍＡ注入電流の下で４０ｍＷの光出力を実現した。 The manufacturing method is the same as in Example 1. When the manufactured laser was coupled to a similar optical fiber via a lens, a good mounting state with a coupling loss of 1 dB or less (corresponding to a coupling efficiency of 80%) was realized. Furthermore, an optical output of 40 mW was realized at 85 ° C. with an oscillation threshold of 15 mA or less and a 150 mA injection current.
なお、コア層としては、多重量子井戸構造を２つのＳＣＨ層で挟んだ構造とすることができる。例えば厚さ５．５ｎｍのＡｌ0.13Ｇａ0.23Ｉｎ0.64Ａｓをウェルとし、厚さ１０ｎｍのＡｌ0.30Ｇａ0.23Ｉｎ0.47Ａｓをバリアとする４層の多重量子井戸構造を使用し、Ａｌ0.30Ｇａ0.23ＩｎＹ0.47Ａｓからなるｎ−下部ＳＣＨ層とｐ−上部ＳＣＨ層で上記多重量子井戸構造を挟んだ構造を取ることができる。このとき、ｎ−下部ＳＣＨ層とｐ−上部ＳＣＨ層は同じ厚さで、コア層全体の厚さは１８０ｎｍである。 The core layer can have a structure in which a multiple quantum well structure is sandwiched between two SCH layers. For example, a four-layer multiple quantum well structure in which Al 0.13 Ga 0.23 In 0.64 As having a thickness of 5.5 nm is used as a well and Al 0.30 Ga 0.23 In 0.47 As having a thickness of 10 nm is used as a barrier, and Al 0.30 Ga 0.23 InY 0.47 is used. A structure in which the multi-quantum well structure is sandwiched between an n-lower SCH layer and a p-upper SCH layer made of As can be employed. At this time, the n-lower SCH layer and the p-upper SCH layer have the same thickness, and the thickness of the entire core layer is 180 nm.
上述のいずれの構成でも、コア層の上にエッチングストップ層があるものとして説明したが、エッチングストップ層を備えずに、コア層の上に直接上部クラッド層を形成した構成であっても良い。このときは、緩衝層は、上部クラッドの側面およびコア層の上面に形成されることになる。したがって、本発明は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成されたコア層と、前記コア層の上に形成された上部クラッド層がリッジ形状に加工されたメサストライプとを備えた半導体レーザにおいて、前記メサストライプの側面上、および、前記側面と交差し前記リッジ形状を構成する前記コア層上に形成され、前記半導体基板と同じ組成を持つ緩衝層をさらに備えたことを特徴とする半導体レーザとしても実現できる。 In any of the above-described configurations, the description has been given on the assumption that the etching stop layer is provided on the core layer. However, the upper cladding layer may be formed directly on the core layer without providing the etching stop layer. At this time, the buffer layer is formed on the side surface of the upper clad and the upper surface of the core layer. Accordingly, the present invention provides a semiconductor laser comprising a semiconductor substrate, a core layer formed on the semiconductor substrate, and a mesa stripe in which an upper clad layer formed on the core layer is processed into a ridge shape. The semiconductor laser further comprising: a buffer layer formed on a side surface of the mesa stripe and on the core layer that intersects the side surface and forms the ridge shape, and has the same composition as the semiconductor substrate. Can also be realized.
以上詳細に説明したように、本発明のリッジ導波路型半導体レーザによれば、緩衝層を設けることによって、従来技術で生じていた電界強度分布の凹み、くぼみなどの形状の歪みを改善し、電界強度分布を真円形状に近づけ、その結果、外部光ファイバとの間で高い結合効率を得ることができる。さらに、絶縁膜によって生じる応力を緩和することもできる。 As described above in detail, according to the ridge waveguide type semiconductor laser of the present invention, by providing the buffer layer, the distortion of the shape such as the dent and depression of the electric field strength distribution, which has occurred in the prior art, is improved. The electric field intensity distribution is made close to a perfect circle, and as a result, high coupling efficiency with the external optical fiber can be obtained. Furthermore, stress generated by the insulating film can be relaxed.
本発明は、一般的に通信システムに利用することができる。特に、光通信システムの光源に利用することができる。 The present invention is generally applicable to communication systems. In particular, it can be used for a light source of an optical communication system.
１、３０、１００ リッジ導波路型半導体レーザ
２、１１、２１、３１、１０１ 基板
３、１２、２２、３２、１０２ コア層
５ ＡＲ膜
６ａ、６ｂ、１０６ 電極
７ 回折格子
１３、２３、３３、１０３ エッチストップ層
４ａ、４ｂ、２５ａ、２５ｂ、１０６ａ、１０６ｂ 埋め込みＢＣＢ
９、１４、２４、３４、１０４ メサストライプ
１５、２６、１０５ａ、１０５ｂ 絶縁膜
３５ａ、３５ｂ、１０７ａ、１０７ｂ 緩衝層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 30, 100 Ridge waveguide type semiconductor laser 2, 11, 21, 31, 101 Substrate 3, 12, 22, 32, 102 Core layer 5 AR film 6a, 6b, 106 Electrode 7 Diffraction grating 13, 23, 33, 103 Etch stop layer 4a, 4b, 25a, 25b, 106a, 106b Embedded BCB
9, 14, 24, 34, 104 Mesa stripe 15, 26, 105a, 105b Insulating film 35a, 35b, 107a, 107b Buffer layer
Claims (7)
前記半導体基板の上に形成されたコア層と、
前記コア層の上に形成された上部クラッド層がリッジ形状に加工されたメサストライプと
を備えた半導体レーザにおいて、
前記メサストライプの側面の上、および、前記側面と交差し前記リッジ形状を構成する前記コア層の上に形成され、前記半導体基板と同じ組成を持つ緩衝層をさらに備え、
前記コア層の厚さをｔ core 、前記半導体基板に対して垂直方向の前記緩衝層の厚さをｔとすると、ｔ core およびｔで構成される座標軸上で、ｔ core およびｔが、
ｔ core ＝１８０ｎｍの時のｔの上限値１８０ｎｍの点Ａ、
ｔ core ＝１８０ｎｍの時のｔの下限値１２０ｎｍの点Ｂ、
ｔ core ＝２３０ｎｍの時のｔの上限値１２０ｎｍの点Ｃ、
ｔ core ＝２３０ｎｍの時のｔの下限値７０ｎｍの点Ｄ、
ｔ core ＝２８０ｎｍの時のｔの上限値７５ｎｍの点Ｅ、および
ｔ core ＝２８０ｎｍの時のｔの下限値２５ｎｍの点Ｆ
を、点Ａ、点Ｂ、点Ｄ、点Ｆ、点Ｅ、点Ｃ、点Ａの順に直線で結んで得られる領域の周上および内部にあることを特徴とする半導体レーザ。 A semiconductor substrate;
A core layer formed on the semiconductor substrate,
In a semiconductor laser comprising a mesa stripe in which an upper clad layer formed on the core layer is processed into a ridge shape,
The upper side of the mesa stripe, and, formed on the core layer crossing the side face constituting the ridge, further comprising a buffer layer having the same composition as the semiconductor substrate,
The thickness t core of the core layer, when t the thickness of the vertical direction of the buffer layer to the semiconductor substrate, the coordinate axis consists of t core and t, t core and t are,
a point A having an upper limit of 180 nm when t core = 180 nm,
Point B at the lower limit of 120 nm for t core = 180 nm,
a point C where the upper limit of 120 nm for t core = 230 nm,
a point D having a lower limit of 70 nm when t core = 230 nm,
a point E with an upper limit of 75 nm when t core = 280 nm, and
Point F at the lower limit of 25 nm when t core = 280 nm
Is located on the periphery and inside of a region obtained by connecting points A, B, D, F, E, C, and A in this order .
前記半導体基板の上に形成されたコア層と、
前記コア層の上に形成されたエッチストップ層と、
前記エッチストップ層の上に形成された上部クラッド層がリッジ形状に加工されたメサストライプと
を備えた半導体レーザにおいて、
前記メサストライプの側面の上、および、前記側面と交差し前記リッジ形状を構成する前記エッチストップ層の上に形成され、前記半導体基板と同じ組成を持つ緩衝層をさらに備え、
前記コア層の厚さをｔ core 、前記半導体基板に対して垂直方向の前記緩衝層の厚さをｔとすると、ｔ core およびｔで構成される座標軸上で、ｔ core およびｔが、
ｔ core ＝１８０ｎｍの時のｔの上限値１８０ｎｍの点Ａ、
ｔ core ＝１８０ｎｍの時のｔの下限値１２０ｎｍの点Ｂ、
ｔ core ＝２３０ｎｍの時のｔの上限値１２０ｎｍの点Ｃ、
ｔ core ＝２３０ｎｍの時のｔの下限値７０ｎｍの点Ｄ、
ｔ core ＝２８０ｎｍの時のｔの上限値７５ｎｍの点Ｅ、および、
ｔ core ＝２８０ｎｍの時のｔの下限値２５ｎｍの点Ｆ
を、点Ａ、点Ｂ、点Ｄ、点Ｆ、点Ｅ、点Ｃ、点Ａの順に直線で結んで得られる領域の周上および領域の内部にあることを特徴とする半導体レーザ。 A semiconductor substrate;
A core layer formed on the semiconductor substrate,
An etch stop layer formed on the core layer;
In the semiconductor laser comprising an upper cladding layer formed on the etch stop layer and a mesa stripe processed into a ridge shape,
A buffer layer formed on the side surface of the mesa stripe and on the etch stop layer that intersects the side surface and forms the ridge shape, and further includes a buffer layer having the same composition as the semiconductor substrate ;
The thickness t core of the core layer, when t the thickness of the vertical direction of the buffer layer to the semiconductor substrate, the coordinate axis consists of t core and t, t core and t are,
a point A having an upper limit of 180 nm when t core = 180 nm,
Point B at the lower limit of 120 nm for t core = 180 nm,
a point C where the upper limit of 120 nm for t core = 230 nm,
a point D having a lower limit of 70 nm when t core = 230 nm,
point t where the upper limit of t is 75 nm when t core = 280 nm, and
Point F at the lower limit of 25 nm when t core = 280 nm
Is located on the periphery of the region obtained by connecting points A, Point B, Point D, Point F, Point E, Point C, and Point A in the order of straight lines and inside the region .
前記緩衝層は、
ＦｅもしくはＲｕがドープされた半絶縁性ＩｎＰ材料(ＳＩ−ＩｎＰ)、または、
アンドープのＩｎＰ材料(ｉ−ＩｎＰ)であること
を特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の半導体レーザ。 The semiconductor substrate is an InP substrate;
The buffer layer is
A semi-insulating InP material (SI-InP) doped with Fe or Ru, or
4. The semiconductor laser according to claim 1, wherein the semiconductor laser is an undoped InP material (i-InP).
前記メサストライプの側部を覆う低誘電率材料と、
前記低誘電率材料の少なくとも一部および前記メサストライプの上に形成された変調電極と
を備えたことを特徴とする直接変調レーザ（ＤＭＬ）。 A semiconductor laser according to any one of claims 1 to 6 ;
A low dielectric constant material covering the side of the mesa stripe;
A direct modulation laser (DML) comprising: at least a part of the low dielectric constant material and a modulation electrode formed on the mesa stripe.
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