WO2024105764A1 - 光デバイス - Google Patents

光デバイス Download PDF

Info

Publication number
WO2024105764A1
WO2024105764A1 PCT/JP2022/042348 JP2022042348W WO2024105764A1 WO 2024105764 A1 WO2024105764 A1 WO 2024105764A1 JP 2022042348 W JP2022042348 W JP 2022042348W WO 2024105764 A1 WO2024105764 A1 WO 2024105764A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
semiconductor layer
region
core
active region
layer
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/042348
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
拓磨 鶴谷
慎治 松尾
浩司 武田
Original Assignee
日本電信電話株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日本電信電話株式会社 filed Critical 日本電信電話株式会社
Priority to PCT/JP2022/042348 priority Critical patent/WO2024105764A1/ja
Publication of WO2024105764A1 publication Critical patent/WO2024105764A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/11—Comprising a photonic bandgap structure

Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide type optical device.
  • Gain-coupled lasers have been proposed as lasers that achieve excellent characteristics by forming an active region as a buried heterostructure (BH) and subdividing (splitting) it at a period that matches the resonant electric field distribution of light (Non-Patent Documents 1 and 2).
  • the active layer is selectively split and placed at the peak of the resonant electric field distribution, i.e., the part with the strongest electric field strength, improving the light confinement per volume of one split active layer (split active layer), and enabling efficient light amplification.
  • L gain is typically about 150 ⁇ m to 200 ⁇ m, and values such as 0.7 mA [Non-Patent Document 1] and 1.5 mA [Non-Patent Document 2] are obtained as the oscillation threshold.
  • K. Ohira et al. "Stable Single-Mode Operation of Distributed Feedback Lasers With Wirelike Active Regions", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 9, no. 5, pp. 1166-1171, 2003.
  • K. Ohira et al. "Low-Threshold and High-Efficiency Operation of Distributed Reflector Lasers With Width-Modulated Wirelike Active Regions", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 11, no. 5, pp. 1162-1168, 2005.
  • GC lasers such as high optical confinement per divided active layer and low device resistance
  • the characteristics of GC lasers are expected to be particularly effective in improving the performance of extremely low power consumption lasers with extremely small active regions. This is because, in general, as the active volume becomes smaller, it becomes more difficult to strongly localize light in the active region and to provide a low-resistance current injection channel.
  • the conventional technology due to its structure, it is not easy to further shorten the gain region length L gain and the active region total length L BH . That is, in the conventional technology, a buried heterostructure and a distributed Bragg reflector (DBR) made of InP or the like are used, but because this has a small coupling constant, a DBR length of typically 100 ⁇ m or more is required to obtain a sufficient reflectance, and light cannot be confined in a minute region.
  • DBR distributed Bragg reflector
  • the present invention was made to solve the above problems, and aims to further shorten the length of gain-coupled lasers.
  • the optical device comprises a cladding layer, a first semiconductor layer made of a compound semiconductor formed in an active region on the cladding layer, a first core and a second core formed on the cladding layer sandwiching the first semiconductor layer, a plurality of divided active layers embedded in the first semiconductor layer and arranged at a constant period in the waveguide direction to have the same length in the waveguide direction, a second semiconductor layer made of an n-type compound semiconductor and a third semiconductor layer made of a p-type compound semiconductor formed on the cladding layer, sandwiching the active region and contacting the side of the first semiconductor layer, a first electrode connected to the second semiconductor layer, a second electrode connected to the third semiconductor layer, a first passive optical waveguide and a second passive optical waveguide composed of the first core and the second core and connected to the active region, and a resonator formed on the first core and the second core sandwiching the active region in the waveguide direction and composed of a photonic crystal structure formed in the first core and the second core.
  • a resonator is provided that is composed of a photonic crystal structure formed in a first core and a second core that sandwich a first semiconductor layer in which multiple split active layers arranged at a constant period are embedded, thereby making it possible to further shorten the length of the gain-coupled laser.
  • FIG. 1A is a plan view showing a configuration of an optical device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view showing a partial configuration of an optical device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view showing the configuration of a typical one-dimensional photonic crystal laser.
  • FIG. 3 is a characteristic diagram showing the DFB stop band of a GC type active region.
  • FIG. 4 is a characteristic diagram showing the deflection angle of the amplitude reflectance of the guided mode when looking further outward from the end point of the active region 131.
  • FIG. 5 is a characteristic diagram showing the deflection angle of the amplitude reflectance of the guided mode when looking further outward from the end point of the active region 131.
  • FIG. FIG. 5 is a characteristic diagram showing the deflection angle of the amplitude reflectance of the guided mode when looking further outward from the end point of the active region 131.
  • FIG. 6A is a characteristic diagram showing a resonant electric field distribution of the resonator 111 of the optical device according to the embodiment.
  • FIG. 6B is a characteristic diagram showing the distribution of the resonant electric field of a typical one-dimensional photonic crystal laser.
  • FIG. 6C is a characteristic diagram showing the distribution of the resonant electric field of a typical one-dimensional photonic crystal laser.
  • Fig. 1B shows a cross section perpendicular to the waveguiding direction.
  • the direction of the x-axis (x-direction) shown in Fig. 1B is the thickness direction
  • the direction of the y-axis (y-direction) is the current injection direction
  • the direction of the z-axis (z-direction) is the waveguiding direction.
  • the optical device according to the embodiment is a gain-coupled laser (GC laser).
  • This optical device includes a cladding layer 101, a first semiconductor layer 102 formed on the cladding layer 101, a first core 102a and a second core 102b formed on the cladding layer 101 with the first semiconductor layer 102 sandwiched therebetween, a plurality of split active layers 103 embedded in the first semiconductor layer 102, and a second semiconductor layer 104 and a third semiconductor layer 105 formed on the cladding layer 101, parallel to the surface of the cladding layer 101, in a direction (y direction) perpendicular to the waveguiding direction (z direction), sandwiching an active region 131, and formed in contact with the side surface of the first semiconductor layer 102.
  • the cladding layer 101 can be made of, for example, silicon oxide.
  • the cladding layer 101 can be a silicon oxide layer formed on a substrate such as Si.
  • the first semiconductor layer 102, the first core 102a, and the second core 102b can be made of, for example, a III-V group compound semiconductor such as InP.
  • the first semiconductor layer 102, the first core 102a, and the second core 102b can be formed by depositing InP on the cladding layer 101 using a well-known metalorganic vapor phase epitaxy method or the like.
  • the split active layers 103 are embedded in the active region 131 of the first semiconductor layer 102 and are arranged at a constant period in the waveguide direction. Each of the split active layers 103 has the same length in the waveguide direction.
  • the outer shape of each of the split active layers 103 can be, for example, a rectangular parallelepiped.
  • the second semiconductor layer 104 and the third semiconductor layer 105 are disposed on either side of the active region 131.
  • the second semiconductor layer 104 can be made of, for example, an n-type III-V compound semiconductor such as n-type InP.
  • the third semiconductor layer 105 can be made of, for example, a p-type III-V compound semiconductor such as p-type InP.
  • the optical device also includes a first electrode 108 electrically connected to the second semiconductor layer 104, and a second electrode 109 electrically connected to the third semiconductor layer 105.
  • the cladding layer 101 side is the lower side, and the upper side of the first semiconductor layer 102 (first core 102a and second core 102b) is clad with air.
  • the optical device may also include a fourth semiconductor layer 106 formed on the cladding layer 101, arranged to sandwich the second semiconductor layer 104 between the cladding layer 101 and the active region 131, and connected to the second semiconductor layer 104.
  • the optical device may also include a fifth semiconductor layer 107 formed on the cladding layer 101, arranged to sandwich the third semiconductor layer 105 between the cladding layer 101 and the active region 131, and connected to the third semiconductor layer 105.
  • the fourth semiconductor layer 106 When the fourth semiconductor layer 106 is provided, the first electrode 108 is connected to the second semiconductor layer 104 via the fourth semiconductor layer 106. When the fifth semiconductor layer 107 is provided, the second electrode 109 is connected to the third semiconductor layer 105 via the fifth semiconductor layer 107.
  • the fourth semiconductor layer 106 can be made of an n-type III-V compound semiconductor such as n-type InP.
  • the fifth semiconductor layer 107 can be made of a p-type III-V compound semiconductor such as p-type InP.
  • the second semiconductor layer 104 and the third semiconductor layer 105 are formed thinner than the first semiconductor layer 102 (first core 102a, second core 102b).
  • the thin regions can be called "trench regions.”
  • the first semiconductor layer 102, the first core 102a, the second core 102b, the second semiconductor layer 104, the third semiconductor layer 105, the fourth semiconductor layer 106, and the fifth semiconductor layer 107 are formed integrally.
  • first core 102a and the second core 102b are composed of a first passive optical waveguide 132 and a second passive optical waveguide 133 that are connected to the active region 131.
  • the first passive optical waveguide 132 and the second passive optical waveguide 133 are arranged on either side of the active region 131 in the waveguiding direction, and are optically connected to the split active layer 103 (active region 131).
  • the active region 131 in which the second semiconductor layer 104 and the third semiconductor layer 105 are formed thinner than the first semiconductor layer 102, has a so-called rib-type optical waveguide structure in which the second semiconductor layer 104 and the third semiconductor layer 105 form a slab.
  • the first passive optical waveguide 132 and the second passive optical waveguide 133 have a so-called channel-type optical waveguide structure.
  • the second semiconductor layer 104 has a first region on the first electrode 108 side and a first expanded region on the multiple split active layers 103 side.
  • the first region has a trapezoidal (isosceles trapezoidal) shape that narrows the further away from the first electrode 108 side in a planar view.
  • the first expanded region has a trapezoidal (isosceles trapezoidal) shape that narrows the further away from the multiple split active layers 103 side in a planar view.
  • the third semiconductor layer 105 also has two similar regions (second region, second expanded region).
  • the first passive optical waveguide 132 and the second passive optical waveguide 133 which are arranged on either side of the active region 131 in the waveguiding direction, are optically connected to the split active layer 103 (first semiconductor layer 102) via a tapered region in which the core width decreases the farther away from the active region 131.
  • the core width of the first core 102a and the second core 102b can also be the same as the width of the first semiconductor layer 102 in the active region 131.
  • the optical device also includes a resonator 111 formed on either side of the active region 131 (first semiconductor layer 102) in the waveguiding direction.
  • the resonator 111 is composed of a photonic crystal structure formed in the first core 102a and the second core 102b.
  • the photonic crystal structure is a structure in which a plurality of through-holes are arranged in the waveguiding direction, penetrating the first core 102a and the second core 102b of the first passive optical waveguide 132 and the second passive optical waveguide 133 in the thickness direction (nanobeam).
  • the optical device can be operated as a current injection laser.
  • the number of periods of the photonic crystal structure constituting the resonator 111 of the first passive optical waveguide 132 can be reduced, and the transmitted component due to this can be used as the output.
  • a Si core can be formed in the first core 102a of the first passive optical waveguide 132, positioned close to the first core 102a within a range that allows optical coupling, and the oscillating light can be extracted by the optical waveguide using this Si core.
  • photonic crystals are structures that enable the confinement of light in extremely small regions on the scale of a few micrometers to the wavelength of light (Reference 1).
  • This is a structure in which, for example, a thin film slab (two-dimensional) made of a compound semiconductor such as InP or a thin-wire waveguide (one-dimensional) made of a compound semiconductor such as InP is periodically perforated with through-holes, most typically in the shape of circular holes, penetrating from the top to the bottom.
  • This structure generates strong Bragg reflection due to the large refractive index contrast between the compound semiconductor and the low refractive index material, such as air or polymer, that fills the through-holes.
  • the GC type active region 131 and the photonic crystal are significantly different in both constituent materials and element structures, which results in a significant difference in the characteristics as a component of the resonator 111.
  • a desired GC laser resonator that is, a resonator in which "the light is confined in a small region (split active layer) by the photonic crystal surrounding the active region while having a GC type resonant electric field distribution in which the electric field intensity peak position of the light coincides with the gain position in the active region.”
  • N divided active layers 103 each divided to a length a are periodically arranged with a period ⁇ in a current injection region having a length L gain in the waveguiding direction in the active region 131.
  • a typical one-dimensional photonic crystal laser has a structure in which an integrally-structured active layer 203 is embedded in a first semiconductor layer 102 having a rib-type core shape, as shown in Fig. 2, and is configured such that the front side and the rear side are surrounded by resonators 111 each composed of a photonic crystal structure formed in each of a first core 102a and a second core 102b.
  • the following relationship is established between the current injection region length L gain in which the N split active layers 103 are arranged and the period ⁇ of the N split active layers 103. As shown in Fig. 1, if the active region 131 in which the multiple split active layers 103 are embedded is contained within the range of the current injection region sandwiched between the second semiconductor layer 104 and the third semiconductor layer 105, the following relationship necessarily holds.
  • the active region 131 When N is an odd number, the active region 131 is arranged so that the center of the (N+1)/2th split active layer 103 coincides with the center of the current injection region. When N is an even number, the active region 131 is arranged so that the center of the first semiconductor layer 102 filling the gap between the N/2th split active layer 103 and the (N/2+1)th split active layer 103 coincides with the center of the current injection region.
  • the points located ⁇ /2 outward from the center of the first divided active layer 103 and the center of the Nth divided active layer 103 coincide with the end points of the current injection region.
  • the amplitude reflectances of the guided mode when looking further outward from the end points of the active region 131 are rF and rR for the front side (left side of the paper in FIG. 1A) and the rear side (right side of the paper in FIG. 1A), respectively.
  • amplitude reflectances rF and rR give the characteristics of reflection through the three regions: the waveguide width conversion taper region with length Ltp , the phase adjustment regions with lengths L ⁇ F and L ⁇ R , and the front and rear mirrors made of one-dimensional photonic crystals.
  • These rF and rR can be easily calculated by a commonly used commercial three-dimensional finite difference time domain method (3D-FDTD) solver or the like.
  • 3D-FDTD three-dimensional finite difference time domain method
  • the active region 131 of the optical device functions as a uniform distributed feedback (DFB) structure consisting of the first semiconductor layer 102 and a plurality of split active layers 103 embedded in the first semiconductor layer 102, and generates a stop band due to the refractive index difference between the plurality of split active layers 103 and the first semiconductor layer 102.
  • the equivalent refractive index of the cross-sectional mode with respect to the average dielectric constant distribution is n eq,ave .
  • the equivalent refractive index of the cross-sectional mode in the split active layer 103 is n eq,BH .
  • the equivalent refractive index of the cross-sectional mode in the first semiconductor layer 102 is n eq,semi .
  • the Bragg wavelength ⁇ B of the above-mentioned DFB is given by the following equation (2).
  • the DFB stop band of the GC-type active region designed by the above method is shown in Figure 3.
  • the length of the GC-type active region is typically on the order of ⁇ m, but here, the DFB region length is extended to 50 ⁇ m in order to clearly visualize the stop band, and the transmission spectrum of the enteritised DFB region is calculated and plotted using 3D-FDTD. It can be confirmed that the wavelength region with almost zero transmittance, that is, the long wavelength end wavelength ⁇ + of the stop band, is indeed located at approximately 1550 nm.
  • the structure of the GC-type active region designed here is used.
  • the electric field amplitude of the long wavelength end mode standing at wavelength ⁇ + is zero, so when the deflection angle of the reflected wave as viewed from this point becomes ⁇ , the respective electric field distributions are matched to obtain the desired GC-type resonant electric field distribution.
  • the GC-type active region and the photonic crystal resonator have very different optical characteristics, so it is usually not easy to design them in a coordinated manner. If the calculation method described above is not used, a design with very high calculation costs would be required, for example, to calculate the entire laser resonator one by one while sweeping the phase adjustment length in small increments. The main reason for this difficulty is the use of a photonic crystal resonator, which is difficult to handle analytically.
  • the design method described above uses the 3D-FDTD calculations in step 1 to capture the reflection characteristics of the complex photonic crystal resonator as a parameter called the deflection angle, making it possible to apply semi-analytical calculation methods. This makes it possible to design the resonator accurately while significantly reducing the difficulty of the design and the required calculation costs.
  • FIG. 1 A specific example of an optical device (GC-PhC laser) according to an embodiment of the design method described above is shown below.
  • the photonic crystal structure of the front resonator 111 is the same as that of the rear resonator 111, and the structures are symmetrical with respect to the center of the resonator.
  • the deviation angle of the amplitude reflectance calculated under various conditions is shown in FIG. 4, and the spectrum of the power reflectance is shown in FIG. 5.
  • the reflectance is calculated as the phase adjustment length reflecting this, the deviation angle at a wavelength of 1550 nm is indeed almost equal to ⁇ , and it can be seen that the desired reflection characteristics are obtained.
  • the power reflectivity in Figure 5 shows almost the same characteristics for all phase adjustment lengths. In other words, the expansion and contraction of the phase adjustment region only serves to adjust the deflection angle of the reflected wave, and does not have a significant effect on the power reflectivity.
  • FIG. 6A shows the resonant electric field distribution of the resonator 111 of the optical device (GC-PhC laser) according to the embodiment, which is configured by combining the active region 131 (FIG. 3) and the resonator 111 (FIGS. 4 and 5) outside the active region 131, the characteristics of which have been described above.
  • Table 1 shows the parameters that define the laser structure and the resonator characteristics obtained by calculation.
  • a GC-type resonant electric field distribution is obtained in which the peak position of the electric field intensity shown by the solid line and the position of the subdivided divided active layer 103 shown by the dotted line correspond one-to-one and overlap. Therefore, the above-mentioned simple design method can accurately design the resonator 111 of the GC-PhC laser that certainly shows the desired GC-type resonant electric field distribution.
  • the dotted lines indicate the presence or absence of the first semiconductor layer 102 (semi) and the divided active layer 103 (BH).
  • Figures 6B, 6C, and Table 1 also show the resonant electric field distribution, structural parameters, and resonator characteristics of a normal one-dimensional photonic crystal laser that does not have a subdivided active region as shown in Figure 2, as a comparison to demonstrate the characteristic advantages of the GC-PhC laser.
  • the dotted lines indicate the presence or absence of a first semiconductor layer (semi) and a buried active layer (BH).
  • ⁇ z shown in Table 1 is the optical confinement factor of the resonant electric field for BH in the optical axis direction, and is given by the following equation (6).
  • E(z) is the resonant electric field distribution in the optical axis direction
  • the subscript BH represents the integral in the divided active layer 103
  • the subscript all represents the integral in the entire region.
  • the optical device according to the embodiment shows a significantly larger value due to the denominator being halved. This reflects the above-mentioned characteristic of GC lasers, that is, "Because the active region is selectively arranged in the portion where the electric field strength is strong, the optical confinement per unit active volume is improved and efficient optical amplification is possible.”
  • the current injection region length L gain is twice L BH , i.e., twice, which results in a significant reduction in the element resistance.
  • the embodiment shows a significantly higher Q cav .
  • Increasing the resonator Q value is important for reducing the oscillation threshold and improving the light extraction efficiency.
  • the embodiment shows a slightly larger value, and the effect of improving the light confinement by using a GC laser can be confirmed.
  • a particularly typical case is one in which the rear-side resonator 111 has a sufficient number of holes so that the light transmittance is negligibly small, while the front-side resonator 111 has an appropriate number of holes to achieve both a low oscillation threshold and high light extraction efficiency, so that a certain percentage of light is transmitted and output to the front side.
  • a unidirectional laser light output is obtained only to the front side, providing desirable characteristics for applications such as optical interconnection.
  • a resonator is provided that is composed of a photonic crystal structure formed in a first core and a second core that sandwich a first semiconductor layer in which multiple split active layers arranged at a constant period are embedded, thereby making it possible to further shorten the length of the gain-coupled laser.
  • the present invention by combining a GC-type active region with a photonic crystal resonator, it is possible to realize a laser that has an extremely small active region, which was difficult to achieve with conventional GC lasers or normal PhC lasers, yet exhibits excellent characteristics.
  • the present invention by combining numerical calculations such as 3D-FDTD and analytical calculations in the appropriate places, it becomes possible to accurately design a resonator using a simple method with low calculation costs.
  • optical device further comprising: a fourth semiconductor layer formed on the cladding layer, disposed so as to sandwich the second semiconductor layer between the cladding layer and the active region, and made of an n-type compound semiconductor connected to the second semiconductor layer; and a fifth semiconductor layer formed on the cladding layer, disposed so as to sandwich the third semiconductor layer between the cladding layer and the active region, and made of a p-type compound semiconductor connected to the third semiconductor layer, wherein the first electrode is connected to the second semiconductor layer via the fourth semiconductor layer, and the second electrode is connected to the third semiconductor layer via the fifth semiconductor layer.
  • the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are formed thinner than the first semiconductor layer
  • the second semiconductor layer includes a first region having a trapezoidal shape whose width narrows from the first semiconductor layer side to the fourth semiconductor layer side in a planar view, and a first expanded region having a trapezoidal shape whose width widens from the first region side to the fourth semiconductor layer side
  • the third semiconductor layer includes a second region having a trapezoidal shape whose width narrows from the first semiconductor layer side to the fifth semiconductor layer side in a planar view, and a second expanded region having a trapezoidal shape whose width widens from the second region side to the fifth semiconductor layer side
  • the first region and the second region have tapered shapes at their ends in the waveguiding direction whose width in a planar view narrows the further away from a center of the active region.

Landscapes

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

Abstract

この光デバイスは、クラッド層（１０１）の上に形成された第１半導体層（１０２）と、クラッド層（１０１）の上で第１半導体層（１０２）を挟んで形成された第１コア（１０２ａ）および第２コア（１０２ｂ）と、第１半導体層（１０２）に埋め込まれた複数の分割活性層（１０３）とを備える。複数の分割活性層（１０３）は、第１半導体層（１０２）の活性領域（１３１）に埋め込まれ、導波方向に一定の周期で配列されている。また、複数の分割活性層（１０３）の各々は、導波方向の長さが同一とされている。また、導波方向に活性領域（１３１）を挟んで形成された共振器（１１１）を備える。共振器（１１１）は、第１コア（１０２ａ）および第２コア（１０２ｂ）に形成されたフォトニック結晶構造から構成されている。

Description

光デバイス
　本発明は、光導波路型の光デバイスに関する。
　活性領域を埋め込みヘテロ構造（ＢＨ）とし、光の共振電界分布に一致した周期で細分化（分割）して配置することで優れた特性を実現するレーザとして、利得結合型レーザ（gain-coupled laser; 以下、ＧＣレーザ）が提案されている（非特許文献１、非特許文献２）。ＧＣレーザでは、共振電界分布の山部分、すなわち電界強度が強い部分に選択的に分割した活性層が配置されているため、分割した１つの活性層（分割活性層）の体積あたりの光閉じ込めが向上し、効率的に光の増幅を行うことが可能となる。
　また、活性領域が光軸方向に沿って細分化されることにより、活性領域の全長（ＬBH）に対する電流注入領域長（Ｌgain）の比率が向上し、これによって分割活性層体積あたりの素子抵抗が低減される。素子抵抗の低減は、低消費電力動作、高速動作、高出力動作などにあたって重要である。従来技術のＧＣレーザでは、Ｌgainは典型的には１５０μｍ～２００μｍ程度であり、発振閾値としては０．７ｍＡ［非特許文献１］や１．５ｍＡ［非特許文献２］などの値が得られている。
K. Ohira et al., "Stable Single-Mode Operation of Distributed Feedback Lasers With Wirelike Active Regions", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 9, no. 5, pp. 1166-1171, 2003. K. Ohira. et al., "Low-Threshold and High-Efficiency Operation of Distributed Reflector Lasers With Width-Modulated Wirelike Active Regions", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 11, no. 5, pp. 1162-1168, 2005.
　１つの分割活性層あたりの高い光閉じ込め、低い素子抵抗というＧＣレーザの特徴は、極めて小さな活性領域を有する極低消費電力レーザの高性能化にあたって特に有効であると期待される。これは、一般に、活性体積が微小になっていくに従って活性領域に強く光を局在化させること、また低抵抗な電流注入チャネルを具備させることが困難になっていくためである。
　しかしながら、従来技術においては、その構造上、利得領域長Ｌgainおよび活性領域全長ＬBHをさらに短尺化することは容易でない。すなわち、従来技術では、埋め込みヘテロ構造と、ＩｎＰなどから構成される分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）が用いられるが、これは結合定数が小さいため、十分な反射率を得るためには典型的には１００μｍ以上のＤＢＲ長が必要となり、微小な領域に光を閉じ込めることができない。
　特に、極短距離光インターコネクションなどへのＧＣレーザの適用を目指す場合、ＬBHを数μｍスケールにまで微小化しつつ、活性領域に対して強く光を閉じ込めることで、極低発振閾値化（典型的にはμＡスケール）、極低消費電力化を達成することが重要となるが、従来技術ではそのようなレーザの実現は極めて困難である。このように、従来技術の構造ではＧＣレーザの極短尺化が極めて困難である。
　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、利得結合型レーザのさらなる短尺化を目的とする。
　本発明に係る光デバイスは、クラッド層と、クラッド層の上の活性領域に形成された化合物半導体からなる第１半導体層と、クラッド層の上で第１半導体層を挟んで形成された第１コアおよび第２コアと、第１半導体層に埋め込まれ、導波方向に一定の周期で配列されて導波方向の長さが同一とされた複数の分割活性層と、クラッド層の上に形成され、活性領域を挟み、第１半導体層の側面に接して形成されたｎ型の化合物半導体からなる第２半導体層およびｐ型の化合物半導体からなる第３半導体層と、第２半導体層に接続された第１電極と、第３半導体層に接続された第２電極と、第１コアおよび第２コアから構成されて、活性領域に接続する第１パッシブ光導波路および第２パッシブ光導波路と、導波方向に活性領域を挟んで形成され、第１コアおよび第２コアに形成されたフォトニック結晶構造から構成された共振器とを備える。
　以上説明したように、本発明によれば、一定の周期で配列された複数の分割活性層が埋め込また第１半導体層を挾む第１コアおよび第２コアに形成されたフォトニック結晶構造から構成された共振器を備えるので、利得結合型レーザのさらなる短尺化が図れる。
図１Ａは、本発明の実施の形態に係る光デバイスの構成を示す平面図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態に係る光デバイスの一部構成を示す断面図である。 図２は、典型的な１次元フォトニック結晶レーザの構成を示す平面図である。 図３は、ＧＣ型活性領域のＤＦＢストップバンドを示す特性図である。 図４は、活性領域１３１の端点からさらに外側を見込んだときの導波モードの振幅反射率の偏角を示す特性図である。 図５は、活性領域１３１の端点からさらに外側を見込んだときの導波モードの振幅反射率の偏角を示す特性図である。 図６Ａは、実施の形態に係る光デバイスの共振器１１１の共振電界分布を示す特性図である。 図６Ｂは、通常の１次元フォトニック結晶レーザの共振電界分布を示す特性図である。 図６Ｃは、通常の１次元フォトニック結晶レーザの共振電界分布を示す特性図である。
　以下、本発明の実施の形態に係る光デバイスについて図１Ａ、図１Ｂを参照して説明する。なお、図１Ｂは、導波方向に垂直な面の断面を示している。なお、図１Ｂに示すｘ軸の方向（ｘ方向）は、厚さ方向であり、ｙ軸の方向（ｙ方向）は、電流注入方向であり、ｚ軸の方向（ｚ方向）は、導波方向である。実施の形態に係る光デバイスは、利得結合型レーザ（ＧＣレーザ）である。
　この光デバイスは、クラッド層１０１と、クラッド層１０１の上に形成された第１半導体層１０２と、クラッド層１０１の上で第１半導体層１０２を挟んで形成された第１コア１０２ａおよび第２コア１０２ｂと、第１半導体層１０２に埋め込まれた複数の分割活性層１０３と、クラッド層１０１の上に形成され、クラッド層１０１の面に平行で、導波方向（ｚ方向）に垂直な方向（ｙ方向）で、活性領域１３１を挟み、第１半導体層１０２の側面に接して形成された第２半導体層１０４および第３半導体層１０５とを備える。
　クラッド層１０１は、例えば、酸化シリコンから構成することができる。例えば、Ｓｉなどの基板の上に形成された酸化シリコン層を、クラッド層１０１とすることができる。第１半導体層１０２、第１コア１０２ａ、および第２コア１０２ｂは、例えば、ＩｎＰなどのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することができる。例えば、クラッド層１０１の上に、よく知られた有機金属気相成長法などによりＩｎＰを堆積することで、第１半導体層１０２、第１コア１０２ａおよび、第２コア１０２ｂが形成できる。
　複数の分割活性層１０３は、第１半導体層１０２の活性領域１３１に埋め込まれ、導波方向に一定の周期で配列されている。また、複数の分割活性層１０３の各々は、導波方向の長さが同一とされている。複数の分割活性層１０３の各々は、外形が、例えば直方体とすることができる。また、第２半導体層１０４および第３半導体層１０５は、活性領域１３１を挾んで配置されている。第２半導体層１０４は、例えば、ｎ型のＩｎＰなどのｎ型のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することができる。また、第３半導体層１０５は、例えば、ｐ型のＩｎＰなどのｐ型のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することができる。
　また、この光デバイスは、第２半導体層１０４に電気的に接続された第１電極１０８と、第３半導体層１０５に電気的に接続された第２電極１０９とを備える。なお、この例において、クラッド層１０１の側を下側として、第１半導体層１０２（第１コア１０２ａおよび第２コア１０２ｂ）の上側は、空気をクラッドとしている。
　また、この光デバイスは、クラッド層１０１の上に形成され、第２半導体層１０４を活性領域１３１との間で挾むように配置された、第２半導体層１０４に接続された第４半導体層１０６を備えることができる。また、クラッド層１０１の上に形成され、第３半導体層１０５を活性領域１３１との間で挾むように配置された、第３半導体層１０５に接続された第５半導体層１０７を備えることができる。
　第４半導体層１０６を備える場合、第１電極１０８は、第４半導体層１０６を介して第２半導体層１０４に接続される。また、第５半導体層１０７を備える場合、第２電極１０９は、第５半導体層１０７を介して第３半導体層１０５に接続される。第４半導体層１０６は、ｎ型のＩｎＰなどのｎ型のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することができる。また、第５半導体層１０７は、ｐ型のＩｎＰなどのｐ型のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成することができる。
　なお、第２半導体層１０４および第３半導体層１０５は、第１半導体層１０２（、第１コア１０２ａ、第２コア１０２ｂ）より薄く形成されている。薄く形成されている領域は、「トレンチ領域」と称することができる。この例では、第１半導体層１０２、第１コア１０２ａ、第２コア１０２ｂ、第２半導体層１０４、第３半導体層１０５、第４半導体層１０６、および第５半導体層１０７は、一体に形成されている。
　また、第１コア１０２ａおよび第２コア１０２ｂから構成されて、活性領域１３１に接続する第１パッシブ光導波路１３２および第２パッシブ光導波路１３３を備える。第１パッシブ光導波路１３２，第２パッシブ光導波路１３３は、導波方向に活性領域１３１を挟んで配置され、分割活性層１０３（活性領域１３１）に光学的に接続されている。
　第２半導体層１０４および第３半導体層１０５が、第１半導体層１０２より薄く形成されている活性領域１３１は、第２半導体層１０４および第３半導体層１０５をスラブとする、いわゆるリブ型光導波路の構造とされている。一方、第１パッシブ光導波路１３２，第２パッシブ光導波路１３３は、いわゆるチャネル型光導波路の構造とされている。
　また、実施の形態に係る光デバイスにおいて、第２半導体層１０４は、第１電極１０８の側の第１領域と、複数の分割活性層１０３の側の第１拡大領域とを備える。第１領域は、平面視で第１電極１０８の側から離れるほど幅が狭くなる台形（等脚台形）の形状を有する。第１拡大領域は、平面視で複数の分割活性層１０３の側から離れるほど幅が狭くなる台形（等脚台形）の形状を有する。第３半導体層１０５も同様の２つの領域（第２領域、第２拡大領域）を備えている。
　また、実施の形態に係る光デバイスは、導波方向に活性領域１３１を挟んで配置される第１パッシブ光導波路１３２，第２パッシブ光導波路１３３の各々は、活性領域１３１から離れるほどコア幅が小さくなるテーパ領域を介して分割活性層１０３（第１半導体層１０２）に光学的に接続されている。なお、第１コア１０２ａ，第２コア１０２ｂのコア幅は、活性領域１３１の第１半導体層１０２の幅と同一とすることもできる。
　また、実施の形態に係る光デバイスは、導波方向に活性領域１３１（第１半導体層１０２）を挟んで形成された共振器１１１を備える。共振器１１１は、第１コア１０２ａおよび第２コア１０２ｂに形成されたフォトニック結晶構造から構成されている。フォトニック結晶構造は、第１パッシブ光導波路１３２，第２パッシブ光導波路１３３の第１コア１０２ａ，第２コア１０２ｂに、これらを厚さ方向に貫通する貫通口を、導波方向に複数配列したものである（ナノビーム）。
　上述したように共振器（反射部）１１１を形成し、共振器１１１で活性領域１３１を挾み、活性領域１３１に光を閉じ込める構造とすることで、光デバイスを電流注入レーザとして動作させることができる。光取り出しの機構としては、例えば、第１パッシブ光導波路１３２の共振器１１１を構成するフォトニック結晶構造の周期数を減らし、これによる透過成分を出力とすることができる。また、例えば、第１パッシブ光導波路１３２の第１コア１０２ａに、光結合可能な範囲で近くに配置されるＳｉコアを形成し、このＳｉコアによる光導波路で発振光を取り出すこともできる。
　ところで、よく知られているように、フォトニック結晶は、数μｍスケールから光の波長スケールの極微小領域への光閉じ込めを可能とする構造である（参考文献１）。これは、例えばＩｎＰなどの化合物半導体から構成した薄膜スラブ（２次元）やＩｎＰなどの化合物半導体から構成した細線導波路（１次元）に対して、最も典型的には円孔形状から成る貫通口が上面から下面にまで貫通する形で周期的に空けられた構造である。貫通口を埋める空気やポリマーなどの低屈折率材料と化合物半導体との間での大きな屈折率コントラストに由来して、強いブラッグ反射を起こす構造体である。このようなフォトニック結晶を用いることで、光の波長スケールの極めて小さな領域内で光をほぼ完全に反射し、極微小な共振器１１１を形成することができる。
　従って、活性領域１３１の長さ（活性領域長）ＬBHを数μｍ～光の波長スケールにまで短尺化した極微小なＧＣレーザを実現するために、ＧＣ型の活性領域１３１とフォトニック結晶とを組み合わせた共振器１１１を形成することが有望である。しかしながら、ＧＣ型の活性領域１３１とフォトニック結晶とは、構成材料、素子構造のいずれも大きく異なっており、これに由来して共振器１１１の構成要素としての特性に顕著な差異が生じる。このため、所望のＧＣレーザ共振器、すなわち「活性領域において光の電界強度ピーク位置と利得位置とが一致したＧＣ型の共振電界分布を有しつつ、活性領域を取り囲むフォトニック結晶によって光が微小領域（分割活性層）内に閉じ込められた共振器」の設計は一般に困難となる。
　より具体的には、所望のＧＣレーザ共振器を実現するためにはＧＣ型活性領域における電界分布とフォトニック結晶領域における電界分布とが整合するように、両者の特性および相対的な位置関係を設計、最適化する必要があるが、上述のように両者は大きく異なる構造および特性を有しているため、この電界分布の整合を得るための適切な構造設計は、解析的な計算、数値的な計算、いずれを以ってしても容易ではない。
　これに対し、実施の形態に係る光デバイスは、活性領域１３１における導波方向の長さＬgainの電流注入領域において、長さａに細分化されたＮ個の分割活性層１０３が周期Λで周期的に配置されている。なお、典型的な１次元フォトニック結晶レーザは、図２に示すように、一体構造の活性層２０３がリブ型のコア形状とされた第１半導体層１０２に埋め込まれた構造とされ、フロント側およびリア側が、第１コア１０２ａおよび第２コア１０２ｂの各々に形成されたフォトニック結晶構造から構成された共振器１１１によって取り囲まれることによって構成されている。
　実施の形態に係る光デバイスは、Ｎ個の分割活性層１０３が配置される電流注入領域長Ｌgainと、Ｎ個の分割活性層１０３が周期Λとの間に、以下の関係が成り立っているものとする。なお、図１に示すように、第２半導体層１０４および第３半導体層１０５に挾まれている電流注入領域の範囲内に、複数の分割活性層１０３が埋め込まれた活性領域１３１が収まっていれば、必然的に以下の関係が成立する。
　また、Ｎが奇数のときは、（Ｎ＋１）／２番目の分割活性層１０３の中心が電流注入領域の中心に一致するように活性領域１３１が配置されているものとする。また、Ｎが偶数のときは、Ｎ／２番目の分割活性層１０３と（Ｎ／２＋１）番目の分割活性層１０３との間を埋める第１半導体層１０２の中心が、電流注入領域の中心に一致するように、活性領域１３１が配置されているものとする。
　これらの条件が満たされるとき、１番目の分割活性層１０３の中心、Ｎ番目の分割活性層１０３の中心から外側に各々Λ／２だけ進んだ点（以下、これを活性領域１３１の端点と称する）と、電流注入領域の端点とが一致することになる。活性領域１３１の端点からさらに外側を見込んだときの導波モードの振幅反射率を、フロント側（図１Ａの紙面左側）、リア側（図１Ａの紙面右側）の各々について、ｒF，ｒRとする。この振幅反射率ｒF，ｒRは、長さＬtpの導波路幅変換テーパ領域、長さＬΦF，ＬΦRの位相調整領域、および１次元フォトニック結晶から成るフロント側、リア側ミラー、以上３つの領域を経た反射の特性を与えるものになっている。このｒF，ｒRは、一般的に用いられている商用の３次元有限差分時間領域法（３Ｄ－ＦＤＴＤ）ソルバなどによって容易に計算することができる。
　実施の形態に係る光デバイスの活性領域１３１は、第１半導体層１０２と、第１半導体層１０２に埋め込まれた複数の分割活性層１０３とから成る均一な分布帰還（ＤＦＢ）構造として機能し、複数の分割活性層１０３と第１半導体層１０２との屈折率差に由来してストップバンドを生じる。活性領域１３１について、平均的な誘電率分布に対する断面モードの等価屈折率をｎeq,aveとする。また、分割活性層１０３での断面モードの等価屈折率をｎeq,BHとする。また、第１半導体層１０２での断面モードの等価屈折率をｎeq,semiとする。このとき、上述したＤＦＢのブラッグ波長λBは、以下の式（２）で与えられる。
　また、式（２）で与えられるのブラッグ波長における結合定数κは、以下の式（３）で与えられる。
　また、平均的な誘電率分布に対する断面モードの等価群屈折率をｎg,aveとすると、ストップバンドの長波端波長λ+は、以下の式（４）で与えられる。
　無限遠の均一なＤＦＢにおいては、ストップバンドの長波端、短波端に各々定在波モードが形成されるが、このとき、長波端モードは高屈折率部分（分割活性層１０３）に電界強度のピークを、低屈折率部分（第１半導体層１０２）に電界強度のゼロ点を持つような電界分布、すなわちＧＣ型の電界分布を有する（非特許文献１）。従って、ＧＣレーザを実現するためには、所望の発振波長λlasingが式（４）で与えられる長波端波長λ+に等しくなるようにする。具体的には、式（２）－（４）に基づき、λlasing＝λ+が成り立つように、周期Λおよび各々の分割活性層１０３の導波方向長さａを決定してＤＦＢを設計すればよい。
　上記の方法により設計したＧＣ型活性領域のＤＦＢストップバンドを図３に示す。設計にあたってはλlasing＝λ+＝１５５０ｎｍとした。共振器をフォトニック結晶から構成したＧＣレーザ（ＧＣ－ＰｈＣレーザ）では、ＧＣ型活性領域の長さは典型的にはμｍオーダーとなるが、ここではストップバンドを明瞭に可視化するためにＤＦＢ領域長を５０μｍに長延化しており、腸炎化したＤＦＢ領域の透過スペクトルを３Ｄ－ＦＤＴＤで計算してプロットしている。透過率がほぼゼロの波長域、すなわちストップバンドの長波端波長λ+が確かにおよそ１５５０ｎｍに位置していることが確認できる。以降のＧＣ－ＰｈＣレーザの計算ではここで設計したＧＣ型活性領域の構造を用いる。
　実施の形態に係る光デバイスであるＧＣ－ＰｈＣレーザにおいて、所望のＧＣ型共振電界分布を得るには、上記のように設計した活性領域１３１に対して電界分布が整合するように、フロント側およびリア側の共振器１１１を具備させる必要がある。その設計方法を以下に記載する。なお、フロント側およびリア側の共振器１１１を成す１次元フォトニック結晶の構造は予め適当に設計してあるものとする。
　以上の簡便な３ステップでの設計方法により、所望のＧＣ型共振電界分布を示す構造（すなわち、適切な位相調整長ＬΦF，ＬΦR）を正確に設計することができる。式（５）は、反射波の偏角が「ａｒｇ（ｒF/R）＝ΦF/R＝π」を満たすようにするための条件式となっている。振幅反射率を計算する始点となる活性領域１３１の端点では、波長λ+に立つ長波端モードの電界振幅がゼロとなっているため、この点から見込んだときの反射波の偏角がπになるとき、各々の電界分布が整合して所望のＧＣ型共振電界分布が得られる。
　前述したように、ＧＣ型活性領域とフォトニック結晶による共振器とは、大きく異なった光学特性を示すため、両者を協調的に設計することは通常容易でなく、仮に上述した計算方法を用いない場合、例えば位相調整長を小刻みに掃引しながらレーザ共振器全体の計算を逐一行う、といった非常に計算コストの高い設計が要される。この困難さの主要因は、解析的な取り扱いが難しいフォトニック結晶による共振器を用いていることである。
　これに対し、上述した設計方法によれば、ステップ１における３Ｄ－ＦＤＴＤでの計算によって複雑なフォトニック結晶による共振器の反射特性を偏角というパラメータとして取り込み、半解析的な計算方法が適用できるようにしている。これにより、設計の困難さ、必要な計算コストを大幅に低減しつつ、正確な共振器設計を可能としている。
　上述した設計方法による実施の形態に係る光デバイス（ＧＣ－ＰｈＣレーザ）の具体例を以下に示す。以下の例では簡単のためにフロント側の共振器１１１のフォトニック結晶構造をリア側の共振器１１１と同一とし、共振器中心について対称な構造とした。このとき「ＬΦF＝ＬΦR＝ＬΦ，ｒF＝ｒR＝ｒ＝√Ｒｅｘｐ（－ｊΦ）」となる。
　種々の条件下で計算した振幅反射率の偏角を図４に示し、パワー反射率のスペクトルを図５に示す。基準位相調整長として計算したＬφ0＝２００ｎｍでの結果を見ると、波長１５５０ｎｍにおける偏角はπよりもやや小さくなっている。そこで、式（５）に基づいて位相調整長の修正値を求めると、ΔＬφ＝６４．１８ｎｍとなる。これを反映した位相調整長としてでの反射率を計算すると、波長１５５０ｎｍにおける偏角は確かにπにほぼ等しくなり、所望の反射特性が得られていることがわかる。
　一方、図５のパワー反射率については、いずれの位相調整長においてもほぼ同一の特性が得られている。すなわち、位相調整領域の伸縮は、反射波の偏角のみを調整する役割を果たし、パワー反射率には有意な影響を与えない。
　以上で特性を示した活性領域１３１（図３）とその外側の共振器１１１（図４，図５）とを組み合わせることで構成した実施の形態に係る光デバイス（ＧＣ－ＰｈＣレーザ）の共振器１１１の共振電界分布を図６Ａに示す。レーザの構造を規定するパラメータ、および計算により得られた共振器特性を表１に示す。共振波長λcavは、上記の設計で設定した発振波長λlasing＝１５５０ｎｍにほぼ等しい１５４９ｎｍとなっている。この共振波長において、図６Ａに示されているように、実線で示される電界強度のピーク位置と、点線で示される細分化された分割活性層１０３の位置とが、一対一で対応して重なり合ったＧＣ型の共振電界分布が得られている。従って、上述したる簡便な設計方法により、確かに所望のＧＣ型共振電界分布を示すＧＣ－ＰｈＣレーザの共振器１１１を正確に設計できている。なお、図６Ａにおいて、点線は、第１半導体層１０２（semi）および分割活性層１０３（ＢＨ）の有無を示している。
　図６Ｂ、図６Ｃ、および表１には、ＧＣ－ＰｈＣレーザの特性上の利点を示すための比較対象として、図２に示したような活性領域が細分化されていない通常の１次元フォトニック結晶レーザの共振電界分布、構造パラメータ、共振器特性も併せて示している。図６Ｂ，図６Ｃにおいて、点線は、第１半導体層（semi）および埋め込み活性層（ＢＨ）の有無を示している。
　図６ＢはＬgain＝ＬBH＝５．０μｍのケースであり、図６ＣはＬgain＝ＬBH＝２．５μｍのケースである。ここで、表１に示されているΓzは、光軸方向におけるＢＨに対する共振電界の光閉じ込め係数であり、以下の式（６）で与えられる。
　Ｅ（ｚ）は、光軸方向の共振電界分布、添字のＢＨは分割活性層１０３における積分、添字のａｌｌを全領域における積分を表す。まず、図６Ａと図６Ｂ、すなわちほぼ共通の電流注入領域長Ｌgain同士で比較すると、共振器長がほぼ同一であるため、共振器Ｑ値Ｑcavはほぼ等しい。一方、活性領域全長ＬBHは提案構造では、ＬBH＝（ａ／Λ）・Ｌgain＝０．５×Ｌgainとして半減されており、活性体積がより一層微小化されている。
　Γzの値を比較すると通常構造の方が大きくなっているが、レーザ特性上重要な意味を持つ活性層長あたりの光閉じ込め係数の値で比較すると、分母が半減されていることに由来して、実施の形態に係る光デバイスの方が有意に大きな値を示している。これは、上述した「電界強度が強い部分に選択的に活性領域が配置されているため、単位活性体積あたりの光閉じ込めが向上し、効率的に光の増幅を行うことが可能」というＧＣレーザの特徴を反映したものである。
　次に、図６Ａと図６Ｃ、すなわちほぼ共通の活性領域全長ＬBH同士で比較すると、まず実施の形態に係る光デバイスの構造では、電流注入領域長ＬgainがＬBHの倍すなわち２倍となっており、これによって有意な素子抵抗低減効果が得られる。また共振器長が長くなっていることに伴って実施の形態の方が有意に高いＱcavを示している。共振器Ｑ値を高めることは発振閾値の低減および光取り出し効率の向上に重要である。さらに、ΓzおよびΓz／ＬBHの値で比較すると、わずかながらも実施の形態の方が大きな値を示しており、ＧＣレーザ化による光閉じ込め向上の効果が確認できる。
　このように、実施の形態によれば、ＰｈＣレーザと比較して、活性体積の低減、素子抵抗の低減、共振器Ｑ値の向上、光閉じ込め係数の向上、などの特性向上効果をもたらし、極めて小さな活性領域を有する極低消費電力レーザの高性能化に有効である。
　なお、ここでは簡単のために、フロント側の共振器１１１の構造がリア側の共振器１１１の構造と同一で、フロント側から意図的に光を出力させないレーザ共振器を仮定して具体例の計算を行なった。しかし、本発明は、より一般的に、フロント側とリア側とで共振器１１１の構造が異なるレーザ共振器に対しても適用できることは明らかである。
　特に典型的なケースは、リア側の共振器１１１では光の透過率が無視できるほどに小さくなるように十分な数の空孔が具備されている一方、フロント側の共振器１１１では低発振閾値かつ高光取り出し効率を両立する上で適切な数の空孔が具備されており、一定の割合の光がフロント側に透過、出力するようになっている、というものである。この場合、フロント側のみへの一方向的なレーザ光出力が得られ、光インターコネクションなどへの応用上、望ましい特性が得られる。
　以上に説明したように、本発明によれば、一定の周期で配列された複数の分割活性層が埋め込また第１半導体層を挾む第１コアおよび第２コアに形成されたフォトニック結晶構造から構成された共振器を備えるので、利得結合型レーザのさらなる短尺化が図れるようになる。
　本発明によれば、ＧＣ型活性領域とフォトニック結晶による共振器との組み合わせの構造により、従来のＧＣレーザあるいは通常のＰｈＣレーザでは実現が困難であった極めて小さな活性領域を有しつつも優れた特性を示すレーザの実現を可能となる。本発明によれば、３Ｄ－ＦＤＴＤなどによる数値計算と解析的な計算とを適材適所で併用することで、計算コストの小さい簡便な方法によって正確な共振器設計が可能になる。
　上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されるが、以下には限られない。
［付記１］
　クラッド層と、前記クラッド層の上の活性領域に形成された化合物半導体からなる第１半導体層と、前記クラッド層の上で前記第１半導体層を挟んで形成された第１コアおよび第２コアと、前記第１半導体層に埋め込まれ、導波方向に一定の周期で配列されて導波方向の長さが同一とされた複数の分割活性層と、前記クラッド層の上に形成され、前記活性領域を挟み、前記第１半導体層の側面に接して形成されたｎ型の化合物半導体からなる第２半導体層およびｐ型の化合物半導体からなる第３半導体層と、前記第２半導体層に接続された第１電極と、前記第３半導体層に接続された第２電極と、前記第１コアおよび前記第２コアから構成されて、前記活性領域に接続する第１パッシブ光導波路および第２パッシブ光導波路と、導波方向に前記活性領域を挟んで形成され、前記第１コアおよび前記第２コアに形成されたフォトニック結晶構造から構成された共振器とを備える光デバイス。
［付記２］
　付記１記載の光デバイスにおいて、前記クラッド層の上に形成され、前記第２半導体層を前記活性領域との間で挾むように配置され、前記第２半導体層に接続されたｎ型の化合物半導体からなる第４半導体層と、前記クラッド層の上に形成され、前記第３半導体層を前記活性領域との間で挾むように配置され、前記第３半導体層に接続されたｐ型の化合物半導体からなる第５半導体層とを備え、前記第１電極は、前記第４半導体層を介して前記第２半導体層に接続され、前記第２電極は、前記第５半導体層を介して前記第３半導体層に接続されていることを特徴とする光デバイス。
［付記３］
　付記１または２記載の光デバイスにおいて、前記第２半導体層および前記第３半導体層は、前記第１半導体層より薄く形成され、前記第２半導体層は、平面視で前記第１半導体層の側から前記第４半導体層の側に行くほど幅が狭くなる台形の形状を有する第１領域、および前記第１領域の側から前記第４半導体層の側に行くほど幅が広くなる台形の形状を有する第１拡大領域を備え、前記第３半導体層は、平面視で前記第１半導体層の側から前記第５半導体層の側に行くほど幅が狭くなる台形の形状を有する第２領域、および前記第２領域の側から前記第５半導体層の側に行くほど幅が広くなる台形の形状を有する第２拡大領域を備え、前記第１領域および前記第２領域は、導波方向の端部に、前記活性領域の中央部から離れるほど、平面視の幅が狭くなるテーパ形状を備えることを特徴とする光デバイス。
［付記４］
　付記１～３のいずれか１項に記載の光デバイスにおいて、前記第１半導体層と、前記第１半導体層に埋め込まれた前記複数の分割活性層とから分布帰還構造が構成され、以下の式（Ａ），式（Ｂ）、および式（Ｃ）に基づいて、λlasing＝λ+が成り立つように、周期Λおよび分割活性層の導波方向の長さａが決定されていることを特徴とする光デバイス。
　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。
［参考文献１］K. Takeda et al., "Few-fJ/bit data transmissions using directly modulated lambda-scale embedded active region photonic-crystal lasers", Nature Photonics, vol. 7, pp. 569-575, 2013.
　１０１…クラッド層、１０２…第１半導体層、１０２ａ…第１コア、１０２ｂ…第２コア、１０３…分割活性層、１０４…第２半導体層、１０５…第３半導体層、１０６…第４半導体層、１０７…第５半導体層、１０８…第１電極、１０９…第２電極、１１１…共振器、１３１…活性領域、１３２…第１パッシブ光導波路、１３３…第２パッシブ光導波路。

Claims (4)

  1. 　クラッド層と、
    　前記クラッド層の上の活性領域に形成された化合物半導体からなる第１半導体層と、
    　前記クラッド層の上で前記第１半導体層を挟んで形成された第１コアおよび第２コアと、
    　前記第１半導体層に埋め込まれ、導波方向に一定の周期で配列されて導波方向の長さが同一とされた複数の分割活性層と、
    　前記クラッド層の上に形成され、前記活性領域を挟み、前記第１半導体層の側面に接して形成されたｎ型の化合物半導体からなる第２半導体層およびｐ型の化合物半導体からなる第３半導体層と、
    　前記第２半導体層に接続された第１電極と、
    　前記第３半導体層に接続された第２電極と、
    　前記第１コアおよび前記第２コアから構成されて、前記活性領域に接続する第１パッシブ光導波路および第２パッシブ光導波路と、
    　導波方向に前記活性領域を挟んで形成され、前記第１コアおよび前記第２コアに形成されたフォトニック結晶構造から構成された共振器と
    　を備える光デバイス。
  2. 　請求項１記載の光デバイスにおいて、
    　前記クラッド層の上に形成され、前記第２半導体層を前記活性領域との間で挾むように配置され、前記第２半導体層に接続されたｎ型の化合物半導体からなる第４半導体層と、
    　前記クラッド層の上に形成され、前記第３半導体層を前記活性領域との間で挾むように配置され、前記第３半導体層に接続されたｐ型の化合物半導体からなる第５半導体層と
    　を備え、
    　前記第１電極は、前記第４半導体層を介して前記第２半導体層に接続され、
    　前記第２電極は、前記第５半導体層を介して前記第３半導体層に接続され
    　ている
    　ことを特徴とする光デバイス。
  3. 　請求項２記載の光デバイスにおいて、
    　前記第２半導体層および前記第３半導体層は、前記第１半導体層より薄く形成され、
    　前記第２半導体層は、平面視で前記第１半導体層の側から前記第４半導体層の側に行くほど幅が狭くなる台形の形状を有する第１領域、および前記第１領域の側から前記第４半導体層の側に行くほど幅が広くなる台形の形状を有する第１拡大領域を備え、
    　前記第３半導体層は、平面視で前記第１半導体層の側から前記第５半導体層の側に行くほど幅が狭くなる台形の形状を有する第２領域、および前記第２領域の側から前記第５半導体層の側に行くほど幅が広くなる台形の形状を有する第２拡大領域を備え、
    　前記第１領域および前記第２領域は、導波方向の端部に、前記活性領域の中央部から離れるほど、平面視の幅が狭くなるテーパ形状を備える
    　ことを特徴とする光デバイス。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の光デバイスにおいて、
    　前記第１半導体層と、前記第１半導体層に埋め込まれた前記複数の分割活性層とから分布帰還構造が構成され、以下の式（Ａ），式（Ｂ）、および式（Ｃ）に基づいて、λlasing＝λ+が成り立つように、周期Λおよび分割活性層の導波方向の長さａが決定されていることを特徴とする光デバイス。
PCT/JP2022/042348 2022-11-15 2022-11-15 光デバイス WO2024105764A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2022/042348 WO2024105764A1 (ja) 2022-11-15 2022-11-15 光デバイス

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2022/042348 WO2024105764A1 (ja) 2022-11-15 2022-11-15 光デバイス

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024105764A1 true WO2024105764A1 (ja) 2024-05-23

Family

ID=91084020

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2022/042348 WO2024105764A1 (ja) 2022-11-15 2022-11-15 光デバイス

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2024105764A1 (ja)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6223186A (ja) * 1985-07-23 1987-01-31 Nec Corp 分布帰還型半導体レ−ザ
JPH0722702A (ja) * 1993-06-30 1995-01-24 Canon Inc 半導体レーザ装置、その駆動方法とそれを用いた光通信方式
JP2012186418A (ja) * 2011-03-08 2012-09-27 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 活性層分離型位相シフトｄｆｂレーザ
WO2021124440A1 (ja) * 2019-12-17 2021-06-24 日本電信電話株式会社 光デバイス

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6223186A (ja) * 1985-07-23 1987-01-31 Nec Corp 分布帰還型半導体レ−ザ
JPH0722702A (ja) * 1993-06-30 1995-01-24 Canon Inc 半導体レーザ装置、その駆動方法とそれを用いた光通信方式
JP2012186418A (ja) * 2011-03-08 2012-09-27 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 活性層分離型位相シフトｄｆｂレーザ
WO2021124440A1 (ja) * 2019-12-17 2021-06-24 日本電信電話株式会社 光デバイス

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4942429B2 (ja) 半導体波長可変レーザ
JP5177285B2 (ja) 光素子及びその製造方法
JP5717726B2 (ja) 大出力パワー用の横結合を持つｄｆｂレーザダイオード
US7242699B2 (en) Wavelength tunable semiconductor laser apparatus
EP0325251B1 (en) Laser light source for generating beam collimated in at least one direction
EP1587187A1 (en) Wavelength tunable laser of small size
US7262435B2 (en) Single-transverse-mode laser diode with multi-mode waveguide region and manufacturing method of the same
JP6247944B2 (ja) 水平共振器面出射型レーザ素子
JP2723045B2 (ja) フレア構造半導体レーザ
JP6895903B2 (ja) 半導体レーザ素子、回折格子構造、および回折格子
WO2021124440A1 (ja) 光デバイス
WO2024105764A1 (ja) 光デバイス
US7277465B2 (en) Semiconductor laser
JPH0147031B2 (ja)
JP2000504152A (ja) 半導体レーザ
JPWO2005060058A1 (ja) 半導体レーザーおよびその製造方法
JP5163355B2 (ja) 半導体レーザ装置
JP4033822B2 (ja) Ｄｂｒ型波長可変光源
JP3595677B2 (ja) 光アイソレータ、分布帰還型レーザ及び光集積素子
WO2022153529A1 (ja) 半導体レーザおよびその設計方法
JP3261679B2 (ja) 分布帰還型半導体レーザの駆動方法
US20230048527A1 (en) Apparatus Comprising a Distributed Coupled-Cavity Waveguide Reflector
JP2003152272A (ja) 分散位相シフト構造分布帰還型半導体レーザ
JPH0449274B2 (ja)
WO2021191953A1 (ja) 光デバイス

Legal Events

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

Ref document number: 22965740

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1