WO2020145128A1 - 半導体光素子 - Google Patents

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active layer
optical device
layer
semiconductor optical
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卓磨 相原
松尾　慎治
硴塚　孝明
土澤　泰
達郎 開
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日本電信電話株式会社
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    • H01S5/223—Buried stripe structure

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor optical device, and more particularly to a semiconductor optical device applicable to a semiconductor laser used as a light source for an optical transmitter.
  • Equation (1) h is Planck's constant, ⁇ is oscillation frequency, P 0 is laser output, v g is group velocity, ⁇ m is resonator loss, ⁇ 0 is waveguide loss, F is output coefficient, and K is “ “Petermann's" factor, L a is the active layer length, L p is the cavity length, n sp is the radiative recombination constant, and ⁇ is the linewidth enhancement factor. From the equation (1), it can be seen that suppressing the resonator loss of the semiconductor laser is effective for narrowing the line width of the laser.
  • reducing the cavity loss of a semiconductor laser means that light stays in the cavity for a long time and is easily affected by the loss of the optical waveguide. That is, when the resonator loss is reduced, if the loss of the optical waveguide is large, a sufficient optical output cannot be obtained. Therefore, in order to reduce the line width of the semiconductor laser, it is important to suppress the resonator loss as well as the waveguide loss.
  • the conventional semiconductor laser has a structure in which impurity-doped clad layers are formed above and below the active layer and a current is injected in the vertical direction (direction perpendicular to the substrate surface).
  • This semiconductor laser will be described with reference to FIG.
  • a clad layer 602 made of n-type InP is laminated on a substrate 601 made of n-type InP, and an active layer 603 is formed thereon. Both sides of the clad layer 602 and the active layer 603 are filled with a buried layer 604 made of p-InP.
  • a current blocking layer 605 made of an n-InP layer is formed on the buried layer 604.
  • An overclad layer 606 made of p-InP and a contact layer 607 made of p-InGaAs are formed on the active layer 603 and the current blocking layer 605.
  • the clad layer 602, the active layer 603, and the over clad layer 606 form an optical waveguide.
  • two insulating layers 608 made of SiO 2 are formed on the contact layer 607 in the upper region of the current blocking layer 605.
  • a p-electrode 611 that makes ohmic contact with the contact layer 607 is formed between the two insulating layers 608, and an n-electrode 612 is ohmic-connected to the back surface of the substrate 601.
  • This semiconductor laser has a typical buried structure for efficiently injecting current into the active layer 603.
  • the embedded laser has a problem that the waveguide loss is large. This is because there is a p-type semiconductor layer having a high hole absorption amount near the active layer, the electric field spreads largely in the region of the p-type semiconductor around the active layer, and is a major cause of propagation loss.
  • Patent Document 1 proposes a semiconductor optical device that solves such a problem. This semiconductor optical device will be described with reference to FIGS. 13A and 13B.
  • This semiconductor optical device includes an optical waveguide 321 composed of a clad layer 301 and a core 302 formed on a substrate 300.
  • the core 302 is embedded in the clad layer 301.
  • an active layer 303 extending a predetermined distance in the waveguide direction of the optical waveguide 321 and arranged in a state of being capable of being optically coupled with the core 302, and a semiconductor layer 304 formed on the active layer 303.
  • an n-type semiconductor layer 305 and a p-type semiconductor layer 306 which are formed in contact with the active layer 303 and the semiconductor layer 304 so as to sandwich the active layer 303 and the semiconductor layer 304 are provided.
  • the core 302 is arranged between the substrate 300 and the active layer 303.
  • an n-type electrode 309 connected to the n-type semiconductor layer 305 via the contact layer 307 and a p-type electrode 310 connected to the p-type semiconductor layer 306 via the contact layer 308 are provided.
  • the p-type semiconductor layer 306 and the n-type semiconductor layer 305 are formed by sandwiching the active layer 303 in a direction parallel to the plane of the substrate 300.
  • a diffraction grating 332 is formed on the upper surface of the semiconductor layer 304 to form a distributed Bragg reflection structure (resonator structure).
  • a non-reflective film (not shown) is formed on both ends of the cavity region 331 to form a distributed feedback laser.
  • the substrate 300 and the clad layer 301 are made of, for example, InP made semi-insulating by doping iron, and the core 302 is made of InGaAsP. Further, the active layer 303 has a quantum well structure in which a well layer made of InGaAsP and a barrier layer are laminated.
  • the semiconductor layer 304 is composed of undoped InP
  • the n-type semiconductor layer 305 is composed of n-type InP doped with Si at about 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3
  • the p-type semiconductor layer 306 is composed of , Zn-doped p-type InP.
  • the contact layer 307 is made of Si-doped n-type InGaAs
  • the contact layer 308 is made of Zn-doped InGaAs.
  • a core 302 is formed separately from the active layer 303, and while confining light in the active layer 303, light is confined in the core 302 and the spread of the electric field in the p-type semiconductor layer 306 is suppressed. ..
  • FIG. 14 shows the effect of using the core separately from the embedded active layer.
  • FIG. 14A shows a schematic view of a cross-sectional view of a lateral current injection type buried active layer thin film structure and a calculation result of its electric field distribution.
  • the material of the active layer is InGaAsP and the material of the clad is InP, which is a buried heterostructure in which InGaAsP is embedded in InP. Current is laterally injected from the doped InP into InGaAsP.
  • the subscripts p and q represent the number of crests in the x-axis direction of the lateral electric field component, and q represents the number of crests in the y-axis direction of the lateral electromagnetic field component.
  • the electric field is distributed around the active layer core.
  • FIG. 14B shows a structure in which a core made of silicon (Si) is formed under the buried active layer thin film structure.
  • the refractive index of Si was 3.47
  • the core thickness was 0.5 ⁇ m
  • the core width was 1 ⁇ m.
  • a material having a wider band gap than Si and less likely to exhibit the nonlinear optical effect is desired as the material of the core described above.
  • this material include SiN and SiO 2 .
  • FIG. 14C shows a calculation result when SiN is used as the core material.
  • the refractive index of SiN is 2.00
  • the core thickness is 0.5 ⁇ m
  • the core width is 1 ⁇ m.
  • the refractive index of SiN is sufficiently lower than that of the III-V group layer (3 or more). Therefore, when a material having a refractive index of about 2 such as SiN is used as the core, the nonlinear optical effect is hard to be expressed, but it is difficult to suppress the spread of light to the p-type InP.
  • the present invention has been made in order to solve the above problems, and even if a material in which a nonlinear optical effect is difficult to be expressed is used as the core material, the waveguide loss in the semiconductor optical device having the embedded optical waveguide structure is reduced.
  • the purpose is to be able to reduce.
  • the semiconductor optical device comprises an optical waveguide comprising a core formed on a substrate, an active layer formed on the substrate extending along the core and being capable of optical coupling with the core.
  • the active layer has a resonator structure for optical confinement, the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer are formed so as to sandwich the active layer in a plan view, and the core has a thickness in which a higher-order mode appears.
  • the higher order mode is the E 12 mode.
  • the core is arranged between the substrate and the active layer.
  • the core is arranged on the active layer when viewed from the substrate side.
  • the core is made of a material having a refractive index of 1.5 to 2.2.
  • the core is made of SiN or SiON.
  • the core is made of SiN or SiON and contains deuterium.
  • the core disposed in a state capable of being optically coupled to the active layer has a thickness in which a higher-order mode appears, and therefore, a material in which a nonlinear optical effect is not easily expressed is used as the core material.
  • the waveguide loss in the semiconductor optical device having the embedded optical waveguide structure can be reduced.
  • FIG. 1A is a sectional view showing a configuration of a semiconductor optical device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a plan view showing a partial configuration of the semiconductor optical device according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating the E 12 mode.
  • FIG. 3 is a characteristic diagram showing calculation results with the thickness of the core 102 made of SiN as the horizontal axis and the effective refractive indices of E 11 , E 12 , and E 22 as the vertical axis.
  • FIG. 4A is a characteristic diagram showing a calculation result of optical confinement in the core 102.
  • FIG. 4B is a characteristic diagram showing a calculation result of light confinement in the p-type semiconductor layer 106.
  • FIG. 4C is a characteristic diagram showing a calculation result of light confinement in the active layer 105.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining a state in which the E 12 mode is selected as the laser oscillation mode.
  • FIG. 6A is a sectional view showing the configuration of another semiconductor optical device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6B is a plan view showing a partial configuration of another semiconductor optical device according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a sectional view showing the configuration of another semiconductor optical device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a sectional view showing the configuration of another semiconductor optical device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a sectional view showing the configuration of another semiconductor optical device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a sectional view showing the configuration of another semiconductor optical device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a sectional view showing the configuration of another semiconductor optical device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a sectional view showing the structure of the semiconductor optical device.
  • FIG. 13A is a sectional view showing the structure of the semiconductor optical device.
  • FIG. 13B is a perspective view showing the configuration of the semiconductor optical device.
  • FIG. 14 is an explanatory diagram illustrating the E 11 mode.
  • an optical waveguide 104 formed of a core 102 formed on a substrate 101, and a core 102 along the core 102 (extending a predetermined distance in the waveguide direction of the optical waveguide 104) are formed.
  • An active layer 105 formed on the substrate 101 is provided in a state capable of optical coupling.
  • the optical waveguide 104 includes a core 102 and a clad 103 formed by embedding the core 102.
  • the core 102 and the active layer 105 are arranged in contact with each other. Further, in this example, the core 102 is arranged between the substrate 101 and the active layer 105.
  • the substrate 101 is made of, for example, InP that is semi-insulating by being doped with iron.
  • the core 102 is made of a material having a refractive index of about 1.5 to 2.2, such as SiN. Further, the core 102 has a thickness in which a higher order mode appears. The thickness of the core 102 is the height of the core 102 when viewed from the substrate 101 side.
  • the higher order mode is, for example, the E 12 mode. In order for the E 12 mode to appear in the core 102, for example, when the refractive index of the core 102 is 2.00, the width in cross section is 1.0 ⁇ m and the thickness is 0.15 ⁇ m or more.
  • the core 102 may be made of SiON. SiN and SiON are materials in which the nonlinear optical effect is difficult to be exhibited.
  • the clad 103 is made of, for example, InP.
  • the clad 103 can also be made of GaAs.
  • the active layer 105 has a quantum well structure in which a well layer thickness of 6 nm and a barrier layer thickness of 9 nm made of InGaAsP are laminated, for example, and the thickness is about 250 nm. In this case, the emission wavelength of the active layer 105 is 1.55 ⁇ m.
  • the active layer 105 may be made of InGaAlAs, for example. These structures have a buried hetero structure in which the active layer 105 is buried in the cladding 103.
  • the semiconductor optical device also includes a p-type semiconductor layer 106 and an n-type semiconductor layer 107 formed on the substrate 101 in contact with the active layer 105.
  • the p-type semiconductor layer 106 is composed of p-type InP doped with Zn at about 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3
  • the n-type semiconductor layer 107 is doped with Si at about 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 . It is composed of n-type InP.
  • the p-type semiconductor layer 106 and the n-type semiconductor layer 107 are formed so as to sandwich the active layer 105 in a plan view. In this structure, a current is injected into the active layer 105 from a direction (lateral direction) parallel to the plane of the substrate 101.
  • Each layer of the compound semiconductor described above is formed by, for example, crystal growth by a well-known metal organic chemical vapor deposition method. Further, in forming the core 102, the active layer 105, and the diffraction grating 121 described later, a known lithography technique and patterning by wet etching or dry etching are used.
  • This semiconductor optical device also includes an n-type electrode 109 connected to the n-type semiconductor layer 107 and a p-type electrode 108 connected to the p-type semiconductor layer 106. Further, this semiconductor optical device is a distributed feedback laser in which a diffraction grating 121 is formed in the core 102 as a resonator structure for confining light in the active layer 105. The diffraction grating 121 is formed on the side portion of the core 102.
  • the E 12 mode is used in order to strongly confine light in the core 102 made of a material having a lower refractive index than that of a semiconductor and suppress the overlap of the optical modes of the p-type semiconductor layer 106.
  • the number of peaks in the y-axis direction of the lateral electromagnetic field component is two, and the optical mode is strongly distributed in the core made of SiN (first peak), The spread of light to p-type InP (p-InP) can be suppressed.
  • the gain is secured.
  • the reflectance of the E 12 mode is high, and the period of the diffraction grating 121 is set so that the Bragg wavelength in the E 12 mode overlaps the gain distribution of the active layer 105. decide.
  • FIG. 3 shows the calculation results with the thickness of the core 102 made of SiN as the horizontal axis and the effective refractive indices of E 11 , E 12 , and E 22 as the vertical axis. From this result, it is understood that the E 12 mode occurs when the thickness of the core 102 made of SiN is 0.15 ⁇ m or more.
  • FIG. 4A shows the calculation result of the optical confinement in the core 102.
  • FIG. 4B shows the calculation result of the optical confinement in the p-type semiconductor layer 106.
  • FIG. 4C shows the calculation result of the optical confinement in the active layer 105.
  • the calculation result shows, in the E 11 mode, almost no light is confined in the core 102, and the mode overlap of the p-type semiconductor layer 106 is large.
  • the reverse of the E 11 mode is that most of the light is confined in the core 102, and the mode overlap of the p-type semiconductor layer 106 is suppressed. Further, even in the E 12 mode, light overlaps the active layer 105, so that a gain for laser oscillation is secured.
  • the period of the diffraction grating 121 is determined so that the Bragg wavelength of the diffraction grating 121 for the E 12 mode overlaps with the gain wavelength of the active layer 105.
  • the peak of the gain wavelength of the active layer 105 is 1.55 ⁇ m.
  • the effective refractive index of the E 12 mode is 1.70 when the thickness of the core 102 made of SiN is 0.6 ⁇ m.
  • n eff is the effective refractive index
  • ⁇ is the period of the diffraction grating
  • the active layer 105 made of a III-V compound semiconductor has a thickness of 250 nm
  • the core 102 made of SiN has a thickness of 0.6 ⁇ m.
  • the diffraction grating 121 has a position where the reflectance is high for the E 12 mode (in other words, the coupling coefficient is high) and the reflectance is low for the E 11 mode (in other words, the coupling coefficient is low).
  • the E 12 mode it is arranged at a position close to the core 102 in which most of the modes are confined. Specifically, as shown in FIG. 1B, the width of the core 102 is periodically changed to form the diffraction grating 121.
  • the threshold gain of E 12 modes decreases than that of other modes, E 12 mode is selected as the lasing mode.
  • the present invention is not limited to this, and a higher order mode such as the E 13 mode may be used.
  • the thickness of the core made of SiN is 0.7 ⁇ m or more.
  • the diffraction grating 121a may be arranged on the substrate 101 side of the core 102a. Further, as shown in FIG. 7, diffraction gratings 121a may be arranged on both sides of the core 102a. The coupling coefficient of the diffraction grating 121a can be adjusted by adjusting the distance between the core 102a and the diffraction grating 121a.
  • Material of the diffraction grating 121a is eg, SiN and Si, such as SiO x and the like.
  • the core 102 and the active layer 105 may be arranged apart from each other.
  • the core 102 and the active layer 105 may be arranged so that they can be optically coupled, and the distance between the core 102 and the active layer 105 may be, for example, 0 to 0.5 ⁇ m.
  • the core 102b arranged in contact with the active layer 105 may be provided with a connecting portion 102c reaching the substrate 101.
  • a path through which the heat generated in the active layer 105 during operation flows can be formed in the active layer 105, the core 102b, the connecting portion 102c, and the substrate 101, so that improvement in temperature characteristics can be expected.
  • the core 102d may be arranged on the active layer 105 as viewed from the substrate 101 side. Further, as shown in FIG. 11, the core 102 may be arranged below the active layer 105, and the core 102 d may be arranged above the active layer 105.
  • the core 102d and the core 102 are disposed above and below the active layer 105, the E 13 mode appears in the core 102d and the core 102, and the peak of the electric field strength is the peak of the core 102d, the core 102, and the active layer. Appears at 105. Also in this configuration, the same effect as that of the embodiment described with reference to FIGS. 1A and 1B can be expected.
  • the SiN film for forming the core 102d is formed (deposited) by the ECR plasma CVD method as shown below.
  • the ECR plasma CVD method since the film formation reaction is promoted by using ions having high electron energy, it is not necessary to heat the substrate, and low temperature film formation is possible.
  • the active element portion such as the active layer 105 already formed is not damaged.
  • SiH 4 , Si 2 H 6 or the like is used as the Si source gas.
  • NH groups are formed in the formed SiN film. Since the absorption by the NH group appears at a wavelength of about 1510 nm, the optical waveguide formed by the core 102d formed from the SiN film containing the NH group is not suitable as a constituent element of a semiconductor laser used in optical communication.
  • the N—H group in the SiN film should be reduced.
  • deuterium silane gas containing no H in the source gas is used as the source gas for Si.
  • the ECR plasma CVD method using deuterium silane gas formation of NH group on the SiN film is suppressed.
  • the optical waveguide formed by the core 102d formed of the SiN film suppresses absorption of light having a wavelength of about 1510 nm.
  • the SiN film formed by the ECR plasma CVD method using deuterium silane gas contains deuterium. The same applies when the core 102d is made of SiON.
  • the core disposed in a state capable of being optically coupled to the active layer has a thickness at which a higher-order mode appears. Even if it is used, the waveguide loss in the semiconductor optical device having the embedded optical waveguide structure can be reduced.
  • Substrate 102... Core, 103... Clad, 104... Optical waveguide, 105... Active layer, 106... P-type semiconductor layer, 107... N-type semiconductor layer, 108... P-type electrode, 109... N-type electrode, 121... Diffraction grating.

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Abstract

コア（１０２）よりなる光導波路（１０４）と、光導波路（１０４）の導波方向に所定距離延在して、コア（１０２）と光結合可能な状態に配置された活性層（１０５）とを備える。コア（１０２）と活性層（１０５）とは、互いに接して配置されている。コア（１０２）は、例えばＳｉＮなど、屈折率が１．５～２．２程度の材料から構成する。また、コア（１０２）は、高次モードが現れる厚さとされている。高次モードは、例えば、Ｅ12モードである。

Description

半導体光素子
　本発明は、半導体光素子に関し、より詳しくは、光送信器用光源などに利用される半導体レーザに適用可能な半導体光素子に関する。
　インターネットなどの通信網における通信トラフィックの増加に伴い、光ファイバ伝送の高速・大容量化が求められている。この要求に対し、コヒーレント光通信技術およびデジタル信号処理技術を利用したデジタルコヒーレント通信技術の開発が進展し、１００Ｇシステムが実用化されている。このような通信システムでは、送信用および受信用局発光源として、高出力・狭線幅の半導体レーザが必要とされる。特に、位相信号を用いた光通信においては、信号品質に関わるレーザの線幅が重要であり、レーザの線幅は、狭いほど良いとされる。
　半導体レーザの線幅Δνは、ショウロウ・タウンズの関係式に基づき、「Δν＝ｈν／（４πＰ0）×ｖg 2（αm＋α0）ＦαmＬ（Ｌa／Ｌp）ｎsp（１＋α2）・・・（１）」で与えられる（特許文献１参照）。式（１）において、ｈはプランク定数、νは発振周波数、Ｐ0はレーザ出力、ｖgは群速度、αmは共振器損、α0は導波路損、Ｆは出力係数、Ｋは「Ｐｅｔｅｒｍａｎｎ’ｓ」ファクタ、Ｌaは活性層長さ、Ｌpは共振器長、ｎspは発光再結合定数、αは線幅増大係数である。式（１）より、レーザの狭線幅化のためには、半導体レーザの共振器損の抑制が有効であることが分かる。
　しかしながら、半導体レーザの共振器損を下げることは、光が共振器に長く滞在し、光導波路の損失の影響を受けやすいことを意味する。すなわち、共振器損を下げた場合、光導波路の損失が大きいと、十分な光出力が得られなくなる。したがって、半導体レーザの狭線幅化に向けて、共振器損の抑制と同時に、導波路損の抑制が重要となる。
　従来の半導体レーザでは、活性層の上下に不純物ドーピングを行ったクラッド層を形成し、縦方向（基板面に垂直な方向）に電流を注入する構造を有している。この半導体レーザについて、図１１を用いて説明する。この半導体レーザは、ｎ型ＩｎＰからなる基板６０１の上にｎ型ＩｎＰからなるクラッド層６０２が積層され、この上に活性層６０３が形成されている。クラッド層６０２および活性層６０３の両側は、ｐ－ＩｎＰからなる埋め込み層６０４で埋め込まれている。
　また、埋め込み層６０４の上には、ｎ－ＩｎＰ層からなる電流阻止層６０５が形成されている。活性層６０３および電流阻止層６０５の上部には、ｐ－ＩｎＰからなるオーバークラッド層６０６、ｐ－ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層６０７が形成されている。クラッド層６０２，活性層６０３、およびオーバークラッド層６０６から光導波路が構成されている。また、電流阻止層６０５の上部領域におけるコンタクト層６０７上には、ＳｉＯ2からなる２つの絶縁層６０８が形成されている。また、２つの絶縁層６０８の間に、コンタクト層６０７とオーミック接続するｐ電極６１１が形成され、基板６０１の裏面には、ｎ電極６１２がオーミック接続している。
　この半導体レーザは、活性層６０３内に効率的な電流注入を行う埋め込み構造は代表的な構造である。しかしながら、埋め込みレーザは、導波路損が大きいことが課題であった。これは、活性層の近くにホール吸収量の高いｐ型の半導体層が存在し、電界が活性層周りのｐ型半導体の領域に大きく広がり、伝搬損の主要な原因となるためである。
　したがって、活性層周囲のｐ型半導体領域による伝搬損の低減が重要な課題である。特許文献１では、このような問題を解決した半導体光素子が提案されている。この半導体光素子について、図１３Ａ、図１３Ｂを参照して説明する。
　この半導体光素子は、基板３００の上に形成されたクラッド層３０１およびコア３０２から構成された光導波路３２１を備える。コア３０２は、クラッド層３０１に埋め込まれている。また、光導波路３２１の導波方向に所定距離延在してコア３０２と光結合可能な状態に配置された活性層３０３と、活性層３０３の上に形成された半導体層３０４とを備える。また、活性層３０３および半導体層３０４に接して活性層３０３および半導体層３０４を挾んで形成された、ｎ型半導体層３０５およびｐ型半導体層３０６を備える。コア３０２は、基板３００と活性層３０３との間に配置されている。
　また、ｎ型半導体層３０５にコンタクト層３０７を介して接続するｎ型電極３０９と、ｐ型半導体層３０６にコンタクト層３０８を介して接続するｐ型電極３１０とを備える。ｐ型半導体層３０６およびｎ型半導体層３０５は、基板３００の平面に平行な方向で活性層３０３を挾んで形成されている。
　また、光導波路３２１の延在方向に所定の長さの共振器領域３３１において、半導体層３０４の上面に回折格子３３２が形成され、分布ブラッグ反射構造（共振器構造）が構成されている。なお、この半導体光素子は、共振器領域３３１の両端に、図示しない無反射膜が形成され、分布帰還型レーザを構成している。
　基板３００およびクラッド層３０１は、例えば、鉄をドープすることで半絶縁性としたＩｎＰから構成され、コア３０２は、ＩｎＧａＡｓＰから構成されている。また、活性層３０３は、ＩｎＧａＡｓＰからなるの井戸層およびバリア層が積層された量子井戸構造とされている。
　また、例えば、半導体層３０４は、アンドープのＩｎＰから構成され、ｎ型半導体層３０５は、Ｓｉが１×１０18ｃｍ-3程度ドープされたｎ型のＩｎＰから構成され、ｐ型半導体層３０６は、Ｚｎがドープされたｐ型のＩｎＰから構成されている。また、コンタクト層３０７は、Ｓｉがドープされたｎ型のＩｎＧａＡｓから構成され、コンタクト層３０８は、ＺｎがドープされたＩｎＧａＡｓから構成されている。
　この半導体光素子は、活性層３０３とは別にコア３０２を形成し、活性層３０３への光閉じ込めを確保しつつ、コア３０２に光を閉じ込め、ｐ型半導体層３０６における電界の広がりを抑えている。
　図１４を用いて、埋め込み活性層とは別にコアを用いる効果を示す。図１４の（ａ）は、横方向電流注入型の埋め込み活性層薄膜構造の断面図の模式図とその電界分布の計算結果を表す。活性層の材料はＩｎＧａＡｓＰ、クラッドの材料はＩｎＰであり、ＩｎＧａＡｓＰがＩｎＰに埋め込まれた埋め込みヘテロ構造である。電流は、ドープされたＩｎＰからＩｎＧａＡｓＰに横方向から注入される。
　電界分布は、ＴＥモードの基本モード（Ｅpq＝Ｅ11モード）の電界分布である。下付き文字のｐとｑはそれぞれ、横方向電界成分のｘ軸方向の山の数を、ｑは横方向電磁界成分のｙ軸方向の山の数を表している。図１４の（ａ）では、電界は、活性層コアを中心に分布する。このとき、ｐ型ＩｎＰの光閉じ込め係数は、ΓpInP＝２．６７％である。
　一方、図１４の（ｂ）は、埋め込み活性層薄膜構造の下にシリコン（Ｓｉ）からなるコアが形成された構造である。Ｓｉの屈折率として３．４７、コア厚として０．５ μｍ、コア幅として１ μｍを用いた。この条件では、ｐ型ＩｎＰの光閉じ込め係数は、ΓpInP＝０．１６％である。これらより、埋め込み活性層とは別にコアを用いることにより、伝搬損の主要因となるｐ型ＩｎＰへの光の広がりが大幅に抑えられていることが分かる。このｐ型ＩｎＰへの光の広がりの抑制により、導波路損が低減するため、半導体レーザの高出力・狭線幅化が可能となる。
特開２０１６－１７１１７３号公報
　しかしながら、Ｓｉは、バンドギャップが１．１ｅＶ程度であり、光通信波長帯の光に対して、２光子吸収などの非線形光学効果が発現しやすく、Ｓｉからなるコア内の光パワー密度が増加した場合、伝搬損増加の原因となりうる。このため、コア材料として、Ｓｉを用いた場合、半導体レーザの高出力・狭線幅化といった高性能化には限界が存在する。図１４の（ｂ）の計算結果では、Ｓｉコアへの光閉じ込めは、ΓSi＝７７．０６％であり、強くＳｉコアに光が閉じ込められていることが分かる。
　このため、半導体レーザの更なる高出力・狭線幅化に向けては、上述したコアの材料として、Ｓｉよりもバンドギャップが広く、非線形光学効果が発現しにくい材料が望まれる。この材料として、例えば、ＳｉＮやＳｉＯ2などが挙げられる。
　図１４の（ｃ）は、コアの材料としてＳｉＮとした場合の計算結果である。ここでは、ＳｉＮの屈折率として２．００、コア厚として０．５μｍ、コア幅として１μｍを用いた。しかしながら、図１４の（ｃ）に示すように、ＳｉＮをコア材料として用いた場合、電界は、活性層を中心として分布し、ｐ型ＩｎＰへの光の広がりを抑制することはできない。ｐ型ＩｎＰおよびＳｉＮへの光閉じ込め係数は、それぞれΓpInP＝２．３４％、ΓSiN＝９．０１％であり、ｐ型ＩｎＰへの光の広がりの抑制は、Ｓｉを用いた場合と比べ格段に劣る。これは、ＩＩＩ－Ｖ族層の屈折率（３以上）に比べ、ＳｉＮの屈折率が十分に低いためである。このため、ＳｉＮなどの屈折率が２程度の材料をコアとして用いた場合は、非線形光学効果が発現しにくいが、ｐ型ＩｎＰへの光の広がりの抑制が困難となる。
　本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、コア材料に非線形光学効果が発現しにくい材料を用いても、埋め込み光導波路構造の半導体光素子における導波路損失が低減できるようにすることを目的とする。
　本発明に係る半導体光素子は、基板の上に形成されたコアからなる光導波路と、コアに沿って延在して、コアと光結合可能な状態に、基板の上に形成された活性層と、基板の上に、活性層に接して形成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、ｎ型半導体層に接続するｎ型電極と、ｐ型半導体層に接続するｐ型電極と、活性層に光閉じ込めを行う共振器構造とを備え、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層は、平面視で活性層を挾んで形成され、コアは、高次モードが現れる厚さを有する。
　上記半導体光素子の一構成例において、高次モードは、Ｅ12モードである。
　上記半導体光素子の一構成例において、コアは、基板と活性層との間に配置されている。
　上記の半導体光素子の一構成例において、コアは、基板の側から見て活性層の上に配置されている。
　上記半導体光素子の一構成例において、コアは、屈折率が１．５～２．２の材料で構成されている。
　上記半導体光素子の一構成例において、コアは、ＳｉＮまたはＳｉＯＮから構成されている。また、コアは、ＳｉＮまたはＳｉＯＮから構成されて重水素を含む。
　以上説明したように、本発明によれば、活性層と光結合可能な状態に配置されたコアを、高次モードが現れる厚さとしたので、コア材料に非線形光学効果が発現しにくい材料を用いても、埋め込み光導波路構造の半導体光素子における導波路損失が低減できる。
図１Ａは、本発明の実施の形態に係る半導体光素子の構成を示す断面図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態に係る半導体光素子の一部構成を示す平面図である。 図２は、Ｅ12モードを説明する説明図である。 図３は、ＳｉＮから構成したコア１０２の厚さを横軸、Ｅ11、Ｅ12、Ｅ22の実効屈折率を縦軸とした計算結果を示す特性図である。 図４Ａは、コア１０２における光閉じ込めの計算結果を示す特性図である。 図４Ｂは、ｐ型半導体層１０６における光閉じ込めの計算結果を示す特性図である。 図４Ｃは、活性層１０５における光閉じ込めの計算結果を示す特性図である。 図５は、Ｅ12モードがレーザの発振モードとして選択される状態を説明するための説明図である。 図６Ａは、本発明の実施の形態に係る他の半導体光素子の構成を示す断面図である。 図６Ｂは、本発明の実施の形態に係る他の半導体光素子の一部構成を示す平面図である。 図７は、本発明の実施の形態に係る他の半導体光素子の構成を示す断面図である。 図８は、本発明の実施の形態に係る他の半導体光素子の構成を示す断面図である。 図９は、本発明の実施の形態に係る他の半導体光素子の構成を示す断面図である。 図１０は、本発明の実施の形態に係る他の半導体光素子の構成を示す断面図である。 図１１は、本発明の実施の形態に係る他の半導体光素子の構成を示す断面図である。 図１２は、半導体光素子の構成を示す断面図である。 図１３Ａは、半導体光素子の構成を示す断面図である。 図１３Ｂは、半導体光素子の構成を示す斜視図である。 図１４は、Ｅ11モードを説明する説明図である。
　以下、本発明の実施の形態に係る半導体光素子について図１Ａ，図１Ｂを参照して説明する。この半導体光素子は、まず、基板１０１の上に形成されたコア１０２からなる光導波路１０４と、コア１０２に沿って（光導波路１０４の導波方向に所定距離延在して）、コア１０２と光結合可能な状態に、基板１０１の上に形成された活性層１０５とを備える。光導波路１０４は、コア１０２と、コア１０２を埋め込んで形成されたクラッド１０３とから構成されている。この例では、コア１０２と活性層１０５とは、互いに接して配置されている。また、この例では、基板１０１と活性層１０５との間に、コア１０２が配置されている。
　基板１０１は、例えば、鉄をドープすることで半絶縁性としたＩｎＰから構成されている。コア１０２は、例えばＳｉＮなど、屈折率が１．５～２．２程度の材料から構成する。また、コア１０２は、高次モードが現れる厚さとされている。なお、コア１０２の厚さは、基板１０１の側から見たコア１０２の高さである。高次モードは、例えば、Ｅ12モードである。コア１０２にＥ12モードが現れるためには、例えば、コア１０２は、屈折率が２．００の場合、断面視の幅１．０μｍ、厚さ０．１５μｍ以上とする。なお、コア１０２は、ＳｉＯＮから構成することもできる。ＳｉＮやＳｉＯＮは、非線形光学効果が発現しにくい材料である。
　クラッド１０３は、例えば、ＩｎＰから構成されている。クラッド１０３は、ＧａＡｓから構成することもできる。また、活性層１０５は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰからなる層厚６ｎｍの井戸層厚および層厚９ｎｍのバリア層厚が８層積層された量子井戸構造とされ、厚さ２５０ｎｍ程度とされている。この場合、活性層１０５の発光波長は１．５５μｍである。なお、活性層１０５は、例えば、ＩｎＧａＡｌＡｓから構成することもできる。これらの構成は、活性層１０５がクラッド１０３に埋め込まれた埋め込みヘテロ構造となる。
　また、この半導体光素子は、基板１０１の上に、活性層１０５に接して形成されたｐ型半導体層１０６およびｎ型半導体層１０７を備える。例えば、ｐ型半導体層１０６は、Ｚｎが１×１０18ｃｍ-3程度ドープされたｐ型のＩｎＰから構成され、ｎ型半導体層１０７は、Ｓｉが１×１０18ｃｍ-3程度ドープされたｎ型のＩｎＰから構成されている。ｐ型半導体層１０６およびｎ型半導体層１０７は、平面視で活性層１０５を挾んで形成されている。この構成では、活性層１０５に、基板１０１の平面に平行な方向（横方向）から電流が注入される。
　上述した化合物半導体による各層は、例えば、よく知られた有機金属気相成長法による結晶成長で形成されている。また、コア１０２や活性層１０５、また、後述する回折格子１２１の形成には、公知のリソグラフィー技術およびウエットエッチング，ドライエッチングによるパターニングが用いられている。
　また、この半導体光素子は、ｎ型半導体層１０７に接続するｎ型電極１０９と、ｐ型半導体層１０６に接続するｐ型電極１０８とを備える。また、この半導体光素子は、活性層１０５に光閉じ込めを行う共振器構造として、コア１０２に回折格子１２１が形成され、分布帰還型レーザとされている。回折格子１２１は、コア１０２の側部に形成されている。
　半導体に比較して屈折率の低い材料から構成するコア１０２に光を強く閉じ込め、ｐ型半導体層１０６の光モードのオーバーラップを抑えるために、Ｅ12モードを用いる。このモードでは、図２に示すように、横方向電磁界成分のｙ軸方向の山の数は、２つであり、ＳｉＮからなるコアに光モードが強く分布し（１つ目の山）、ｐ型ＩｎＰ（ｐ－ＩｎＰ）への光の広がりが抑えられる。なおかつ、活性層に光がオーバーラップする（２つ目の山）ために、利得が確保される。
　上述したＥ12モードをレーザの発振モードとして選択するために、Ｅ12モードの反射率が高く、また、Ｅ12モードにおけるブラッグ波長が活性層１０５の利得分布と重なるように回折格子１２１の周期を決定する。
　図３に、ＳｉＮから構成したコア１０２の厚さを横軸、Ｅ11、Ｅ12、Ｅ22の実効屈折率を縦軸とした計算結果を示す。この結果から、Ｅ12モードは、ＳｉＮから構成したコア１０２の厚さが０．１５μｍ以上で発生することが分かる。
　図４Ａに、コア１０２における光閉じ込めの計算結果を示す。また、図４Ｂに、ｐ型半導体層１０６における光閉じ込めの計算結果を示す。また、図４Ｃに、活性層１０５における光閉じ込めの計算結果を示す。計算結果が示すように、Ｅ11モードでは、コア１０２にほとんどの光は閉じ込められず、ｐ型半導体層１０６のモードオーバーラップが大きい。一方で、Ｅ12モードでは、Ｅ11モードの逆で、コア１０２にほとんどの光が閉じ込められ、ｐ型半導体層１０６のモードオーバーラップが抑えられていることが分かる。また、Ｅ12モードにおいても活性層１０５に光がオーバーラップするために、レーザ発振のための利得が確保さる。
　次に、回折格子１２１について説明する。まず、Ｅ12モードに対する回折格子１２１のブラッグ波長が活性層１０５の利得波長と重なるように、回折格子１２１の周期を決める。例えば、活性層１０５の利得波長のピークを１．５５μｍとした場合を考える。Ｅ12モードの実効屈折率は、ＳｉＮからなるコア１０２の厚さが０．６μｍのとき、１．７０である。ブラッグ波長は、λB＝２ｎeffΛ／ｍで与えられる。ｎeffは実効屈折率、Λは回折格子の周期、ｍは回折格子の次数（正の整数）である。したがって、ブラッグ波長を１．５５μｍとするための回折格子１２１の周期は、Λ＝０．４５６μｍと求まる。ただし、回折格子１２１の次数を１とした。
　なお、Ｅ11の実効屈折率は、２．８６であるから、Λ＝０．４５６μｍの回折格子を用いた場合、Ｅ11モードに対するブラッグ波長は、λB＝２．６１μｍ（ｍ＝１）、１．３０μｍ（ｍ＝２）、０．８６９μｍ（ｍ＝３）と求まる。活性層１０５の利得波長と重なるブラッグ波長は、ｍ＝１のＥ12モードのブラッグ波長のみであるから、Ｅ12モードがレーザの発振モードとして選択される。
　上述した様子を図５に示す。図５に示されているように、Ｅ11における回折格子の高次モード（ｍ＞１）が利得分布に重ならないようにする必要がある。このためには、例えば、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる活性層１０５の厚さは２５０ｎｍ、ＳｉＮからなるコア１０２の厚さは０．６μｍといった組み合わせにする。
　次に、回折格子１２１は、Ｅ12モードに対して反射率が高く（言い換えれば結合係数が高く）、かつ、Ｅ11モードに対して反射率が低くなる（言い換えれば結合係数が低くなる）位置に配置する。例えば、Ｅ12モードおいて、モードの大半が閉じ込められるコア１０２に近い位置に配置する。具体的には、図１Ｂに示すように、コア１０２の幅を周期的に変化させて回折格子１２１とする。これにより、Ｅ12モードの閾値利得が他のモードのそれよりも下がり、Ｅ12モードがレーザの発振モードとして選択される。
　なお、上述では、本実施形態では、Ｅ12モードを選択した場合を例に説明したが、これに限らず、例えば、Ｅ13モードなどの、より高次のモードを用いても良い。コアに、Ｅ13モードが現れるようにするためには、ＳｉＮから構成するコアの厚さを、０．７μｍ以上とする。
　また、図６Ａ，図６Ｂに示すように、コア１０２ａの基板１０１の側に、回折格子１２１ａが配置されていてもよい。また、図７に示すように、コア１０２ａの両側に回折格子１２１ａが配置されていてもよい。コア１０２ａと回折格子１２１ａとの間隔を調整することで、回折格子１２１ａの結合係数が調整できる。回折格子１２１ａの材料は、例えば、ＳｉＮやＳｉ、ＳｉＯxなどが挙げられる。
　また、図８に示すように、コア１０２と活性層１０５とを、互いに離間して配置してもよい。コア１０２と活性層１０５とは、光結合可能な状態に配置されていればよく、コア１０２と活性層１０５との距離は、例えば、０～０．５μｍとされていればよい。
　また、図９に示すように、活性層１０５に接して配置されたコア１０２ｂが、基板１０１に到達する接続部１０２ｃを備える構成とすることもできる。この構成とすることで、活性層１０５→コア１０２ｂ→接続部１０２ｃ→基板１０１の、動作時に活性層１０５で発生する熱が流れる経路ができるため、温度特性の改善も期待できる。
　また、図１０に示すように、基板１０１の側から見て、活性層１０５の上に、コア１０２ｄが配置される構成とすることもできる。また、図１１に示すように、活性層１０５の下にコア１０２が配置されるとともに、活性層１０５の上に、コア１０２ｄが配置される構成とすることもできる。活性層１０５の上および下に、コア１０２ｄおよびコア１０２が配置される場合、コア１０２ｄおよびコア１０２には、Ｅ13モードが現れ、この電界強度のピークは、コア１０２ｄ、コア１０２、および活性層１０５に現れる。この構成においても、図１Ａ、図１Ｂを参照して説明した実施の形態と同様の効果が期待できる。
　ところで、活性層１０５の上にＳｉＮからなるコア１０２ｄを形成する場合、以下に示すように、コア１０２ｄを形成するためのＳｉＮ膜は、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法により成膜（堆積）する。ＥＣＲプラズマＣＶＤ法では、高い電子エネルギーを持つイオンを用いて成膜反応を進めるため、基板を加熱する必要はなく、低温成膜が可能である。この成膜方法によってＳｉＮ膜を成膜することで、すでに形成されている活性層１０５などの能動素子部に損傷を与えることがない。
　ここで、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法によるＳｉＮ膜の形成では、Ｓｉの原料ガスにＳｉＨ4，Ｓｉ2Ｈ6などが用いられる。この場合、形成されるＳｉＮ膜中にはＮ－Ｈ基が形成される。Ｎ－Ｈ基による吸収は、波長１５１０ｎｍ程度に現れるため、Ｎ－Ｈ基を含んだＳｉＮ膜から形成されたコア１０２ｄによる光導波路は、光通信で使われる半導体レーザの構成要素として適さない。
　この問題を解消するためには、ＳｉＮ膜中におけるＮ－Ｈ基を低減すればよく、このためには、原料ガスにＨを含まない重水素シランガスをＳｉの原料ガスとして用いる。重水素シランガスを用いたＥＣＲプラズマＣＶＤ法によれば、ＳｉＮ膜にＮ－Ｈ基を形成することが抑制されるようになる。この結果、このＳｉＮ膜から形成したコア１０２ｄによる光導波路は、波長１５１０ｎｍ程度の光の吸収が抑制されるようになる。なお、重水素シランガスを用いたＥＣＲプラズマＣＶＤ法により形成したＳｉＮ膜には、重水素が含まれるようになる。コア１０２ｄを、ＳｉＯＮから構成する場合も同様である。
　以上に説明したように、本発明によれば、活性層と光結合可能な状態に配置されたコアを、高次モードが現れる厚さとしたので、コア材料に非線形光学効果が発現しにくい材料を用いても、埋め込み光導波路構造の半導体光素子における導波路損失が低減できる。
　なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
　１０１…基板、１０２…コア、１０３…クラッド、１０４…光導波路、１０５…活性層、１０６…ｐ型半導体層、１０７…ｎ型半導体層、１０８…ｐ型電極、１０９…ｎ型電極、１２１…回折格子。

Claims (7)

  1. 　基板の上に形成されたコアからなる光導波路と、
    　前記コアに沿って延在して、前記コアと光結合可能な状態に、前記基板の上に形成された活性層と、
    　前記基板の上に、前記活性層に接して形成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、
    　前記ｎ型半導体層に接続するｎ型電極と、
    　前記ｐ型半導体層に接続するｐ型電極と、
    　前記活性層に光閉じ込めを行う共振器構造と
    　を備え、
    　前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層は、平面視で前記活性層を挾んで形成され、
    　前記コアは、高次モードが現れる厚さを有することを特徴とする半導体光素子。
  2. 　請求項１記載の半導体光素子において、
    　前記高次モードは、Ｅ12モードであることを特徴とする半導体光素子。
  3. 　請求項１または２記載の半導体光素子において、
    　前記コアは、前記基板と前記活性層との間に配置されていることを特徴とする半導体光素子。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の半導体光素子において、
    　前記コアは、前記基板の側から見て前記活性層の上に配置されていることを特徴とする半導体光素子。
  5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体光素子において、
    　前記コアは、屈折率が１．５～２．２の材料で構成されていることを特徴とする半導体光素子。
  6. 　請求項５記載の半導体光素子において、
    　前記コアは、ＳｉＮまたはＳｉＯＮから構成されていることを特徴とする半導体光素子。
  7. 　請求項６記載の半導体光素子において、
    　前記コアは、重水素を含むことを特徴とする半導体光素子。
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