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JP4706970B2 - Photonic crystal semiconductor optical amplifier and integrated optical semiconductor device - Google Patents

Photonic crystal semiconductor optical amplifier and integrated optical semiconductor device Download PDF

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THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Yokohama National University NUC
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Description

本発明は、フォトニック結晶を有する半導体光増幅器およびこれを備える集積型光半導体素子に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor optical amplifier having a photonic crystal and an integrated optical semiconductor element having the same.

次世代の超小型光集積回路を実現するためのキーテクノロジーとしてフォトニック結晶が注目を集めており、多くの研究機関により理論・実験の両面から精力的な研究が行なわれている。フォトニック結晶は、半導体などに屈折率が該半導体とは異なる物質を光の波長程度の周期で配列させることにより屈折率の周期構造を形成したものである。フォトニック結晶においては、周期場中のマックスウェル方程式の解に従って、光に対するフォトニックバンドギャップ(Photonic Band Gap:PBG)が形成される。PBGに相当する波長の光はフォトニック結晶中をいかなる方向にも伝搬することができない。このような周期構造に適切に設計された欠陥を導入すると、光はその欠陥部に局在することになる。ゆえに、例えば周期構造に点欠陥を導入することにより光共振器が実現でき、線欠陥を導入することにより光導波路が実現できる(非特許文献1、2)。   Photonic crystals are attracting attention as a key technology for realizing next-generation ultra-compact optical integrated circuits, and many research institutions are actively researching both theoretical and experimental aspects. A photonic crystal has a refractive index periodic structure formed by arranging a substance having a refractive index different from that of a semiconductor on a semiconductor or the like with a period of about the wavelength of light. In the photonic crystal, a photonic band gap (PBG) with respect to light is formed according to the solution of the Maxwell equation in the periodic field. Light having a wavelength corresponding to PBG cannot propagate in the photonic crystal in any direction. When a properly designed defect is introduced into such a periodic structure, light is localized at the defect portion. Therefore, for example, an optical resonator can be realized by introducing a point defect into a periodic structure, and an optical waveguide can be realized by introducing a line defect (Non-Patent Documents 1 and 2).

たとえば、フォトニック結晶を有し、周期構造に線欠陥を導入して導波路を構成したフォトニック結晶半導体光増幅器としては、図10に示すように、下面に下部電極106´が形成された半導体基板101´の上に、下部クラッド層102´、活性層103´、上部クラッド層104´、上面に上部電極107´が形成されたコンタクト層105´が順次積層された構造を有し、コンタクト層105´から活性層103´が積層された方向へ活性層103´の下面よりも深い位置まで形成されかつ該積層方向に垂直な面内において2次元的な屈折率の周期構造が形成されるように格子状に配列された複数の空孔110´を有する空孔形成領域と、該空孔形成領域の間に位置する線欠陥導波路領域とが形成されているフォトニック結晶半導体光増幅器100´がある。   For example, as a photonic crystal semiconductor optical amplifier having a photonic crystal and having a waveguide formed by introducing a line defect into a periodic structure, as shown in FIG. On the substrate 101 ′, a lower clad layer 102 ′, an active layer 103 ′, an upper clad layer 104 ′, and a contact layer 105 ′ having an upper electrode 107 ′ formed on the upper surface are sequentially laminated. It is formed from 105 ′ to a position deeper than the lower surface of the active layer 103 ′ in the direction in which the active layer 103 ′ is stacked, and a periodic structure having a two-dimensional refractive index is formed in a plane perpendicular to the stacking direction. A photonic crystal semiconductor optical amplifier in which a hole forming region having a plurality of holes 110 'arranged in a lattice pattern and a line defect waveguide region located between the hole forming regions are formed There are 100 '.

このようなフォトニック結晶の線欠陥導波路には、通常の媒質では見られない特異な分散関係をもつという大きな特徴がある。なかでもフォトニック結晶が形成するフォトニックバンドのバンド端における低群速度効果、すなわち高群屈折率効果を用いると、線欠陥導波路中で光を非常にゆっくりと伝搬させることが可能であり、様々な光学デバイスへの応用が検討されている。この低群速度効果とは、フォトニック結晶の波数空間においてブリルアンゾーンの境界付近、すなわち、フォトニック結晶の格子定数をaとすると波数kがk=π/aとなる値の付近で光がブラッグ反射を受けるために、群速度が低下する現象である。従ってある周波数で光の群速度は零となり、その周波数以下の光は線欠陥導波路を伝搬することができない。この周波数はバンド端と呼ばれており、本願においてもそのように呼ぶものとする。非特許文献3においては、線欠陥導波路のバンド端付近において、実験値として90程度の非常に大きな群屈折率を観測されたことが開示されている。   Such a photonic crystal line-defect waveguide has a great feature that it has a unique dispersion relationship that cannot be found in ordinary media. In particular, using the low group velocity effect at the band edge of the photonic band formed by the photonic crystal, that is, the high group refractive index effect, it is possible to propagate light very slowly in the line defect waveguide, Applications to various optical devices are being studied. This low group velocity effect means that light is Bragged near the boundary of the Brillouin zone in the wave number space of the photonic crystal, that is, near the value where the wave number k is k = π / a, where a is the lattice constant of the photonic crystal. This is a phenomenon in which the group velocity decreases due to reflection. Accordingly, the group velocity of light becomes zero at a certain frequency, and light below that frequency cannot propagate through the line defect waveguide. This frequency is called the band edge, and will be called as such in the present application. Non-Patent Document 3 discloses that an extremely large group refractive index of about 90 was observed as an experimental value near the band edge of a line defect waveguide.

またこの低群速度効果を用いると、短い素子長であっても正味の光路長は長くなる、つまり単位長さ当たりの光学利得や非線形光学定数が増大するため、従来よりも素子の大幅な小型化が期待できる。例えば、フォトニック結晶光増幅器を考えた場合、その利得G(λ)は式(1)で表される。
G(λ)=G0(λ)・ng(λ)/n0(λ) ・・・・・・・・・・ (1)
ただし、G0(λ)、n0(λ)はそれぞれフォトニック結晶構造をもたない場合の増幅素子の利得、群屈折率を表わし、ng(λ)はフォトニック結晶中の線欠陥導波路の群屈折率を表わす。すなわち、利得は線欠陥導波路の群屈折率の大きさに比例して大きくなるから、所定の利得を得るために必要とされる増幅器の長さはそれに反比例して小さくなる。このため、フォトニック結晶の高群屈折率効果を用いることにより非常に小型のデバイスが実現される。
If this low group velocity effect is used, the net optical path length becomes long even with a short element length, that is, the optical gain per unit length and the nonlinear optical constant increase. Can be expected. For example, when a photonic crystal optical amplifier is considered, its gain G (λ) is expressed by equation (1).
G (λ) = G 0 (λ) · ng (λ) / n 0 (λ) (1)
Where G 0 (λ) and n 0 (λ) represent the gain and group refractive index of the amplifying element without the photonic crystal structure, respectively, and n g (λ) represents the line defect conductivity in the photonic crystal. Represents the group index of the waveguide. That is, since the gain increases in proportion to the size of the group refractive index of the line defect waveguide, the length of the amplifier required to obtain a predetermined gain decreases in inverse proportion thereto. For this reason, a very small device is realized by using the high group refractive index effect of the photonic crystal.

A. Talneau, et al., “High external efficiency in a monomode full-photonic-crystal laser under continuous wave electric injection”, Applied Physics Letters, v.85, no.11, pp.1913-1915(2004)A. Talneau, et al., “High external efficiency in a monomode full-photonic-crystal laser under continuous wave electric injection”, Applied Physics Letters, v.85, no.11, pp.1913-1915 (2004) H. Takano, et al., “In-plane-type channel drop filter in a two-dimensional photonic crystal slab”, Applied Physics Letters, v.84, no.13, pp.2226-2228(2004)H. Takano, et al., “In-plane-type channel drop filter in a two-dimensional photonic crystal slab”, Applied Physics Letters, v.84, no.13, pp.2226-2228 (2004) M. Notomi, et al., "Extremely Large Group-Velocity Dispersion of Line Defect Waveguides in Photonic Crystal Slabs", Physical Review Letters, Volume 87, Page 253902(2001)M. Notomi, et al., "Extremely Large Group-Velocity Dispersion of Line Defect Waveguides in Photonic Crystal Slabs", Physical Review Letters, Volume 87, Page 253902 (2001)

ところが、従来のフォトニック結晶光増幅器においては、式(1)からわかるように、群屈折率ng(λ)が無限大となるバンド端においては利得も理論上は無限大になるため、バンド端に相当する波長でレーザ発振が起こりやすいという問題があった。 However, in the conventional photonic crystal optical amplifier, as can be seen from the equation (1), the gain is theoretically infinite at the band edge where the group refractive index n g (λ) is infinite. There was a problem that laser oscillation was likely to occur at a wavelength corresponding to the edge.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、バンド端に相当する波長でのレーザ発振の発生を抑制することができるフォトニック結晶半導体光増幅器およびこれを備える集積型光半導体素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and provides a photonic crystal semiconductor optical amplifier capable of suppressing the occurrence of laser oscillation at a wavelength corresponding to the band edge, and an integrated optical semiconductor device including the same. The purpose is to do.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るフォトニック結晶半導体光増幅器は、半導体基板上に積層された下部クラッド層と上部クラッド層との間に活性層を積層して形成するとともに、所望の光を導波する線欠陥導波路領域を除いて前記上部クラッド層から前記活性層が積層された方向へ該活性層の下面よりも深い位置まで前記積層方向に垂直な面内において2次元的な屈折率の周期構造を形成するように複数の空孔が格子状に配列された空孔形成領域を形成し、前記線欠陥導波路領域の活性層内を導波する光を増幅するフォトニック結晶半導体光増幅器であって、前記線欠陥導波路領域の外側に、前期周期構造によって形成されるフォトニックバンド構造のバンド端の光を減衰させることのできる光減衰部を備えることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a photonic crystal semiconductor optical amplifier according to the present invention includes an active layer stacked between a lower cladding layer and an upper cladding layer stacked on a semiconductor substrate. A surface perpendicular to the stacking direction from the upper cladding layer to a position deeper than the lower surface of the active layer in the direction in which the active layer is stacked except for a line defect waveguide region that guides desired light. A light that is guided in the active layer of the line defect waveguide region by forming a hole forming region in which a plurality of holes are arranged in a lattice pattern so as to form a periodic structure having a two-dimensional refractive index inside A photonic crystal semiconductor optical amplifier for amplifying the light, comprising an optical attenuator capable of attenuating light at a band edge of the photonic band structure formed by the periodic structure outside the line defect waveguide region This The features.

また、この発明に係るフォトニック結晶半導体光増幅器は、上記発明において、前記光減衰部は前記バンド端の光に対して吸収性を有する光吸収半導体層であることを特徴とする。   In the photonic crystal semiconductor optical amplifier according to the present invention as set forth in the invention described above, the light attenuating part is a light absorbing semiconductor layer having absorptivity with respect to light at the band edge.

また、この発明に係るフォトニック結晶半導体光増幅器は、上記発明において、前記線欠陥導波路領域の外側に注入電流が流れないように前記線欠陥導波路領域を両側から埋め込むように形成された電流阻止層を有し、前記光吸収半導体層は、該電流阻止層に設けられていることを特徴とする。   Further, the photonic crystal semiconductor optical amplifier according to the present invention is the above-described invention, wherein the current formed so as to bury the line defect waveguide region from both sides so that an injection current does not flow outside the line defect waveguide region. It has a blocking layer, and the light absorption semiconductor layer is provided in the current blocking layer.

また、この発明に係るフォトニック結晶半導体光増幅器は、上記発明において、前記電流阻止層は、p型半導体層とn型半導体層を積層してなり、前記光吸収半導体層は前記p型半導体層とn型半導体層との間に積層されていることを特徴とする。   In the photonic crystal semiconductor optical amplifier according to the present invention, the current blocking layer is formed by stacking a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer, and the light absorption semiconductor layer is the p-type semiconductor layer. And an n-type semiconductor layer.

また、この発明に係るフォトニック結晶半導体光増幅器は、上記発明において、前記光減衰部は、前記積層方向において前記バンド端の光の電界が及ぶ位置に形成された、前記バンド端の光に対して吸収性を有する光吸収電極であることを特徴とする。   Further, in the photonic crystal semiconductor optical amplifier according to the present invention, in the above invention, the light attenuating portion is formed with respect to the light at the band edge formed at a position where the electric field of the light at the band edge reaches in the stacking direction. It is a light-absorbing electrode having absorptivity.

また、この発明に係るフォトニック結晶半導体光増幅器は、上記発明において、前記活性層は多重量子井戸からなるものであることを特徴とする。   The photonic crystal semiconductor optical amplifier according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the active layer is composed of a multiple quantum well.

また、本発明に係る集積型光半導体素子は、本発明に係る上記のいずれかのフォトニック結晶半導体光増幅器と、前記フォトニック結晶半導体光増幅器に接続された光半導体素子とが、前記半導体基板上に集積されてなることを特徴とする。   An integrated optical semiconductor device according to the present invention includes any one of the above-described photonic crystal semiconductor optical amplifiers according to the present invention and an optical semiconductor device connected to the photonic crystal semiconductor optical amplifier. It is characterized by being accumulated on top.

本発明に係るフォトニック結晶半導体光増幅器によれば、線欠陥導波路領域の外側に備えられた光減衰部は、線欠陥導波路領域の外側に広がって分布する、利得が高いバンド端に相当する波長の光を減衰させる性質を有している。このことによって、バンド端に相当する波長では損失が大きくなり、レーザ発振が起こりにくくなる。このため、バンド端に相当する波長でのレーザ発振の発生を抑制することができるフォトニック結晶半導体光増幅器およびこれを備える集積型光半導体素子が実現できるという効果を奏する。   According to the photonic crystal semiconductor optical amplifier according to the present invention, the light attenuating portion provided outside the line defect waveguide region corresponds to a band edge having a high gain distributed and distributed outside the line defect waveguide region. It has the property of attenuating the light of the wavelength. This increases the loss at the wavelength corresponding to the band edge and makes it difficult for laser oscillation to occur. For this reason, it is possible to realize a photonic crystal semiconductor optical amplifier capable of suppressing the occurrence of laser oscillation at a wavelength corresponding to the band edge and an integrated optical semiconductor element including the photonic crystal semiconductor optical amplifier.

以下に、図面を参照して本発明に係るフォトニック結晶半導体光増幅器および集積型光半導体素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。   Embodiments of a photonic crystal semiconductor optical amplifier and an integrated optical semiconductor device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係るフォトニック結晶半導体光増幅器を模式的に表した平面図である。図2は、図1のフォトニック結晶半導体光増幅器を模式的に表した斜視図である。なお、図2においては両端部に形成されるリッジ導波路を省略して表している。図3は、図1のフォトニック結晶半導体光増幅器のX−X線断面図である。図4は、図1のフォトニック結晶半導体光増幅器のY−Y線断面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a plan view schematically showing a photonic crystal semiconductor optical amplifier according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a perspective view schematically showing the photonic crystal semiconductor optical amplifier of FIG. In FIG. 2, the ridge waveguide formed at both ends is omitted. 3 is a cross-sectional view of the photonic crystal semiconductor optical amplifier of FIG. 1 taken along line XX. 4 is a cross-sectional view of the photonic crystal semiconductor optical amplifier of FIG. 1 taken along line YY.

図1〜4に示すように、本実施の形態1に係るフォトニック結晶半導体光増幅器100は、半導体基板であるn−InP基板101と、n−InP基板101上に積層された下部クラッド層であるn−InPバッファ層102と、n−InPバッファ層102上に積層されたバンドギャップ波長が1550nmでメサストライプ状のInGaAsP活性層103と、InGaAsP活性層103上に積層された上部クラッド層であるp−InPクラッド層104およびp−InPクラッド部104aと、p−InPクラッド層104上に積層されたコンタクト層であるp−InGaAsコンタクト層105と、n−InP基板101の下面に形成されたAuGeNi/Auからなるn側電極106と、p−InGaAsPコンタクト層105の上面に形成されたTi/Pt/Auからなるp側電極107とを有する。   As shown in FIGS. 1 to 4, the photonic crystal semiconductor optical amplifier 100 according to the first embodiment includes an n-InP substrate 101 that is a semiconductor substrate and a lower cladding layer that is stacked on the n-InP substrate 101. These are an n-InP buffer layer 102, an InGaAsP active layer 103 having a band gap wavelength of 1550 nm and a mesa stripe shape, which is stacked on the n-InP buffer layer 102, and an upper cladding layer which is stacked on the InGaAsP active layer 103. The p-InP clad layer 104 and the p-InP clad part 104a, the p-InGaAs contact layer 105 which is a contact layer laminated on the p-InP clad layer 104, and the AuGeNi formed on the lower surface of the n-InP substrate 101 N-side electrode 106 made of / Au and p-InGaAsP contact layer 105 And a p-side electrode 107 consisting of formed on the upper surface Ti / Pt / Au.

また、メサストライプ状のInGaAsP活性層103の両側には、InGaAsP活性層103を埋め込むように積層して形成されたn−InP層108aおよびp−InP層108bからなる電流阻止層108と、光減衰部としてn−InP層108aおよびp−InP層108bの間に積層された光吸収半導体層であるInGaAs光吸収層109とを有する。   Further, on both sides of the mesa stripe-shaped InGaAsP active layer 103, a current blocking layer 108 composed of an n-InP layer 108a and a p-InP layer 108b formed so as to embed the InGaAsP active layer 103, and optical attenuation And an InGaAs light absorption layer 109 that is a light absorption semiconductor layer stacked between the n-InP layer 108a and the p-InP layer 108b.

そして、p−InGaAsコンタクト層105からInGaAsP活性層103が積層された方向へInGaAsP活性層103の下面よりも深い位置まで形成されかつ該積層方向に垂直な面内において2次元的な屈折率の周期構造が形成されるように三角格子状に配列された複数の円筒状の空孔110を有する空孔形成領域111と、幅方向の中心面がInGaAsP活性層103の幅方向の中心面と一致する線欠陥導波路領域112とが形成されている。   A period of a two-dimensional refractive index is formed from the p-InGaAs contact layer 105 to a position deeper than the lower surface of the InGaAsP active layer 103 in the direction in which the InGaAsP active layer 103 is laminated and in a plane perpendicular to the lamination direction. A hole forming region 111 having a plurality of cylindrical holes 110 arranged in a triangular lattice so as to form a structure, and a center plane in the width direction coincide with a center plane in the width direction of the InGaAsP active layer 103. A line defect waveguide region 112 is formed.

また、フォトニック結晶半導体光増幅器100の両端にはリッジ導波路120、130が形成されている。リッジ導波路120は、n−InP基板101上に積層された下部クラッド層であるn―InPバッファ層121と、n―InPバッファ層121上に積層されたバンドギャップ波長1300nmのInGaAsP導波路層122と、InGaAsP導波路層122上に積層された上部クラッド層であるp−InPクラッド層123、124とを有する。InGaAsP導波路層122は、線欠陥導波路領域112においてInGaAsP活性層103に接続されている。また、リッジ導波路130も同様の構造を有する。   Ridge waveguides 120 and 130 are formed at both ends of the photonic crystal semiconductor optical amplifier 100. The ridge waveguide 120 includes an n-InP buffer layer 121 which is a lower cladding layer stacked on the n-InP substrate 101, and an InGaAsP waveguide layer 122 having a band gap wavelength of 1300 nm stacked on the n-InP buffer layer 121. And p-InP cladding layers 123 and 124, which are upper cladding layers stacked on the InGaAsP waveguide layer 122. The InGaAsP waveguide layer 122 is connected to the InGaAsP active layer 103 in the line defect waveguide region 112. The ridge waveguide 130 has a similar structure.

空孔110の直径110aやフォトニック結晶の三角格子の格子定数110bの値は発光させる波長帯により異なるものとし、例えば格子定数110bは300〜500nmとする。波長1550nm付近で動作するフォトニック結晶半導体光増幅器100においては、直径110aは240nm、格子定数110bは380nmである。また、線欠陥導波路領域112を挟んで隣接する空孔中心間の距離tは658nmであり、三角格子状に配列されたパターンのうち一列を除いたものとなっている。なお、空孔間の距離とは、空孔が円筒状である場合は、各空孔の中心軸の間の距離を意味する。   The diameter 110a of the hole 110 and the value of the lattice constant 110b of the triangular lattice of the photonic crystal are different depending on the wavelength band to emit light. For example, the lattice constant 110b is 300 to 500 nm. In the photonic crystal semiconductor optical amplifier 100 operating near the wavelength of 1550 nm, the diameter 110a is 240 nm, and the lattice constant 110b is 380 nm. Further, the distance t between adjacent hole centers across the line defect waveguide region 112 is 658 nm, and one line is excluded from the patterns arranged in a triangular lattice pattern. The distance between the holes means the distance between the center axes of the holes when the holes are cylindrical.

次に、フォトニック結晶半導体光増幅器100の動作について説明する。n側電極106とp側電極107との間に電圧を印加し、電流を注入すると、p−InP層105a及びn−InP層105bが積層されてなる電流阻止層105には電流が流れず、InGaAsP活性層103にのみ電流が流れる。その結果、InGaAsP活性層103への電流注入効率が高いものとなる。   Next, the operation of the photonic crystal semiconductor optical amplifier 100 will be described. When a voltage is applied between the n-side electrode 106 and the p-side electrode 107 and current is injected, no current flows through the current blocking layer 105 in which the p-InP layer 105a and the n-InP layer 105b are stacked, A current flows only in the InGaAsP active layer 103. As a result, the current injection efficiency into the InGaAsP active layer 103 becomes high.

電流が注入され励起状態となったInGaAsP活性層103にリッジ導波路120のInGaAsP導波路層122から導入された光は線欠陥導波路領域112が有する導波路モードで伝搬し、InGaAsP活性層103内で増幅される。一方、InGaAsP活性層103内では自然放出光が発生し、導波路モードで伝搬しながら増幅され、増幅された自然放出光(Amplified Spontaneous Emission:ASE)となる。このとき線欠陥導波路領域112を伝搬する光は、導波路モードによって光の電界強度分布が異なる。   The light introduced from the InGaAsP waveguide layer 122 of the ridge waveguide 120 into the InGaAsP active layer 103 that has been excited by the current injection is propagated in the waveguide mode of the line defect waveguide region 112, and is in the InGaAsP active layer 103. It is amplified by. On the other hand, spontaneous emission light is generated in the InGaAsP active layer 103, amplified while propagating in the waveguide mode, and becomes amplified spontaneous emission (ASE). At this time, the light propagating through the line defect waveguide region 112 has a different electric field intensity distribution depending on the waveguide mode.

光の電界強度分布が導波路モードによって異なる様子を図を用いてより具体的に説明する。図5はフォトニック結晶半導体光増幅器100の線欠陥導波路領域112の導波路モードを示すグラフである。横軸は波数、縦軸は規格化周波数を示す。なお、aはフォトニック結晶の格子定数110bの値である。線M0はフォトニック結晶線欠陥導波路領域112を伝搬する光の基本モードの分散関係を示す。また、線AはPBGの下端、線BはPBGの上端を示す。一方、図6は、バンド端であるk=π/aから遠い波数であるk=0.5π/aの波数、すなわち図5では横軸の値0.25に相当するモードにおける、導波路の長手方向での結晶格子一周期分の長さにおける導波路モードの光の電界強度分布を示す図である。図7は、バンド端であるk=π/aの波数、すなわち図5では横軸の値0.5に相当するモードにおける、導波路の長手方向での結晶格子一周期分の長さにおける導波路モードの光の電界強度分布を示す図である。図6および7中の明るい部分が電界強度の大きい箇所である。   The manner in which the electric field intensity distribution of light varies depending on the waveguide mode will be described more specifically with reference to the drawings. FIG. 5 is a graph showing the waveguide mode of the line defect waveguide region 112 of the photonic crystal semiconductor optical amplifier 100. The horizontal axis represents the wave number, and the vertical axis represents the normalized frequency. Here, a is the value of the lattice constant 110b of the photonic crystal. A line M0 indicates the dispersion relation of the fundamental mode of light propagating through the photonic crystal line defect waveguide region 112. Line A indicates the lower end of the PBG, and line B indicates the upper end of the PBG. On the other hand, FIG. 6 shows the wave number of the waveguide in the mode corresponding to the wave number k = 0.5π / a, which is far from the band edge k = π / a, that is, the value corresponding to the horizontal axis value 0.25 in FIG. It is a figure which shows the electric field strength distribution of the light of waveguide mode in the length for the crystal lattice 1 period in a longitudinal direction. FIG. 7 shows the wave length of k = π / a at the band edge, that is, the length corresponding to one period of the crystal lattice in the longitudinal direction of the waveguide in the mode corresponding to the value 0.5 on the horizontal axis in FIG. It is a figure which shows the electric field strength distribution of the light of waveguide mode. The bright part in FIGS. 6 and 7 is a part where the electric field strength is large.

図6に示すバンド端から遠い波数に相当するモードでは、線欠陥導波路領域112の内側に電界E1が集中しているのに対し、図7に示すバンド端の波数に相当するモードでは、電界E2は線欠陥導波路112の内側だけではなく外側の空孔形成領域111にも広がった分布形状となっていることがわかる。   In the mode corresponding to the wave number far from the band end shown in FIG. 6, the electric field E1 is concentrated inside the line defect waveguide region 112, whereas in the mode corresponding to the wave number at the band end shown in FIG. It can be seen that E2 has a distributed shape that extends not only to the inside of the line defect waveguide 112 but also to the outside hole forming region 111.

バンド端に相当する波長では、線欠陥導波路領域112内のInGaAsP活性層103の利得が非常に高くなるため、レーザ発振を起こしやすい。しかし、本実施の形態1に係るフォトニック結晶半導体光増幅器100のように、線欠陥導波路領域112の外側に空孔形成領域の屈折率周期構造によるフォトニックバンド構造のバンド端の光に対して吸収性を有するInGaAs光吸収層109を備えれば、線欠陥導波路領域112の外側に広がって分布する性質を有する、バンド端付近の波数に相当するモードの光に選択的に損失を与えることができるため、バンド端に相当する波長でのレーザ発振を防止することができる。なお、InGaAs光吸収層109は電流阻止層であるp−InP層108aおよびn−InP層108bの間に積層されているので注入した電流が流れず、励起状態とはならないので、InGaAs光吸収層109は光吸収部として機能する。   At a wavelength corresponding to the band edge, the gain of the InGaAsP active layer 103 in the line defect waveguide region 112 becomes very high, so that laser oscillation is likely to occur. However, as in the photonic crystal semiconductor optical amplifier 100 according to the first embodiment, with respect to the light at the band edge of the photonic band structure by the refractive index periodic structure of the hole forming region outside the line defect waveguide region 112. If the InGaAs light absorption layer 109 having absorptivity is provided, the loss is selectively given to the light in the mode corresponding to the wave number near the band edge, which has a property of being spread and distributed outside the line defect waveguide region 112. Therefore, laser oscillation at a wavelength corresponding to the band edge can be prevented. Since the InGaAs light absorption layer 109 is laminated between the p-InP layer 108a and the n-InP layer 108b, which are current blocking layers, the injected current does not flow and the excited state is not obtained. 109 functions as a light absorber.

次に、本実施の形態1に係るフォトニック結晶半導体光増幅器100の製造方法について説明する。まず、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)結晶成長装置を用いて、n−InP基板101上にn−InPバッファ層102、厚さ500nmでバンドギャップ波長が1550nmのInGaAsP活性層、厚さ300nmのp−InPクラッド層を順次成長させる。InGaAsP活性層は多重量子井戸構造としてもよい。   Next, a method for manufacturing the photonic crystal semiconductor optical amplifier 100 according to the first embodiment will be described. First, using an MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) crystal growth apparatus, an n-InP buffer layer 102 on an n-InP substrate 101, an InGaAsP active layer having a thickness of 500 nm and a band gap wavelength of 1550 nm, and a p-type having a thickness of 300 nm. -InP cladding layers are grown sequentially. The InGaAsP active layer may have a multiple quantum well structure.

その後、プラズマCVD装置によりSiN膜をp−InPクラッド層の全面に成膜する。次に、フォトリソグラフィとRIE(Reactive Ion Etching)によりSiN膜を幅2μmのストライプ状に加工する。次に、ドライエッチングとウェットエッチングによりInGaAsP活性層とp−InPクラッド層とを幅1μmのストライプ状に成形し、さらにInGaAsP活性層はさらに高さ1μm程度のメサ状に成形し、ストライプ状のp−InPクラッド部104aと、メサストライプ状のInGaAsP活性層103を形成する。   Thereafter, a SiN film is formed on the entire surface of the p-InP cladding layer by a plasma CVD apparatus. Next, the SiN film is processed into a stripe shape having a width of 2 μm by photolithography and RIE (Reactive Ion Etching). Next, the InGaAsP active layer and the p-InP clad layer are formed into a stripe shape having a width of 1 μm by dry etching and wet etching, and the InGaAsP active layer is further formed into a mesa shape having a height of about 1 μm. The InP clad portion 104a and the mesa stripe-shaped InGaAsP active layer 103 are formed.

次に、SiN膜を選択成長マスクとして、厚さ300nmのp−InP層108b、厚さ300nmでノンドープのInGaAs光吸収層109、厚さ400nmのn−InP層108aを順次埋め込み成長させる。ここで、メサ状の部分とその外側の埋め込み成長させた部分とで積層方向での等価屈折率がほぼ等しくなるように埋め込み成長させる膜厚を調整することにより、InGaAsP活性層103に導波される光に、フォトニック結晶構造の効果が及ぶようにできる。   Next, using the SiN film as a selective growth mask, a p-InP layer 108b having a thickness of 300 nm, a non-doped InGaAs light absorbing layer 109 having a thickness of 300 nm, and an n-InP layer 108a having a thickness of 400 nm are sequentially buried and grown. Here, by adjusting the thickness of the mesa-shaped portion and the portion of the outer portion that has been buried and grown so that the equivalent refractive index in the stacking direction is substantially equal, the film is guided to the InGaAsP active layer 103. The effect of the photonic crystal structure can be exerted on the light.

その後、SiN膜を除去した後に、リッジ導波路120、130を形成するために、フォトニック結晶半導体光増幅器100の両端の部分のp−InPクラッド部104aとInGaAsP活性層103をエッチングにより除去した後、除去した部分の上に厚さ500nmでバンドギャップ波長が1300nmのInGaAsP導波路層122、厚さ300nmのp−InPクラッド層123を再成長させる。その後、p−InPクラッド層104、124、p−InGaAsコンタクト層105を順次成長させる。本実施形態例では、p−InPクラッド層104の厚さは、InGaAsP活性層103に導波される 光の電界が、後に上部に形成されるp側電極107に及ばないよう、1μm以上としている。なお、リッジ導波路120、130を形成する両端部に成長させたp−InGaAsコンタクト層105はその後除去する。   Thereafter, after removing the SiN film, the p-InP cladding portion 104a and the InGaAsP active layer 103 at both ends of the photonic crystal semiconductor optical amplifier 100 are removed by etching in order to form the ridge waveguides 120 and 130. Then, an InGaAsP waveguide layer 122 having a thickness of 500 nm and a band gap wavelength of 1300 nm and a p-InP cladding layer 123 having a thickness of 300 nm are regrown on the removed portion. Thereafter, the p-InP cladding layers 104 and 124 and the p-InGaAs contact layer 105 are sequentially grown. In this embodiment, the thickness of the p-InP cladding layer 104 is set to 1 μm or more so that the electric field of light guided to the InGaAsP active layer 103 does not reach the p-side electrode 107 formed later. . The p-InGaAs contact layer 105 grown on both ends forming the ridge waveguides 120 and 130 is then removed.

次に、電子線ビーム描画装置により、2次元的な屈折率の周期構造が形成されるように三角格子状に配列された複数の円状のレジストパターンのうち所定の一列を除いたものと、リッジ導波路のレジストパターンをp−InGaAsコンタクト層105に転写する。その後、この転写したパターンをエッチングマスクとして、塩素ガスを用いたICP(Inductively Coupled Plasma)ドライエッチング装置により、p−InGaAsコンタクト層105からInGaAsP活性層103が積層された方向へInGaAsP活性層103の下面よりも深い位置まで、つまりn−InPバッファ層102に到るまで、深さにして3μm程度エッチングし、円筒状の複数の空孔110を周期的に形成して空孔形成領域111を形成する。これと同時に、リッジ導波路120、130を形成する両端部においては、n−InPバッファ層121に到るまでリッジ状にエッチングし、幅700nmのリッジ導波路120、130を形成する。   Next, an electron beam drawing apparatus except for a predetermined row of a plurality of circular resist patterns arranged in a triangular lattice pattern so that a two-dimensional refractive index periodic structure is formed; The resist pattern of the ridge waveguide is transferred to the p-InGaAs contact layer 105. Thereafter, using the transferred pattern as an etching mask, an ICP (Inductively Coupled Plasma) dry etching apparatus using chlorine gas is used to etch the bottom surface of the InGaAsP active layer 103 in the direction in which the InGaAsP active layer 103 is laminated from the p-InGaAs contact layer 105. Etching is performed to a depth of about 3 μm to a deeper position, that is, to the n-InP buffer layer 102, and a plurality of cylindrical holes 110 are periodically formed to form a hole forming region 111. . At the same time, at both ends where the ridge waveguides 120 and 130 are formed, the ridge waveguides 120 and 130 having a width of 700 nm are formed by etching in a ridge shape until reaching the n-InP buffer layer 121.

このエッチングによって、円状のパターンの転写を行わなかった一列については空孔が形成されない。したがって、空孔形成領域111の間には、周期構造の中に導入された線欠陥である線欠陥導波路領域112が形成される。この線欠陥導波路領域112は、幅方向の中心面がメサストライプ状のInGaAsP活性層103の幅方向の中心面と一致するように形成される。   By this etching, holes are not formed in one row where the circular pattern was not transferred. Therefore, a line defect waveguide region 112 that is a line defect introduced into the periodic structure is formed between the hole forming regions 111. The line defect waveguide region 112 is formed so that the center plane in the width direction coincides with the center plane in the width direction of the mesa stripe-shaped InGaAsP active layer 103.

次に、上記のように作製した積層基板全体が120μm程度の厚さになるようにn−InP基板101側を研磨した後、AuGeNi/Auからなるn側電極106をn−InP基板101の下面の所定の部分に、Ti/Pt/Auからなるp側電極107をp−InGaAsコンタクト層105の上面に、それぞれ形成する。最後に、この積層基板を素子ごとにへき開することでフォトニック結晶半導体光増幅器100が作製できる。   Next, after polishing the n-InP substrate 101 side so that the entire laminated substrate manufactured as described above has a thickness of about 120 μm, the n-side electrode 106 made of AuGeNi / Au is attached to the lower surface of the n-InP substrate 101. The p-side electrode 107 made of Ti / Pt / Au is formed on the upper surface of the p-InGaAs contact layer 105, respectively. Finally, the photonic crystal semiconductor optical amplifier 100 can be manufactured by cleaving the laminated substrate for each element.

本発明の効果を確認するために、上記の方法で作製した本実施の形態1に係るフォトニック結晶半導体光増幅器と、InGaAs光吸収層を形成しない以外は上記と同様の方法で作製したフォトニック結晶半導体光増幅器の増幅特性について評価した。すると、InGaAs光吸収層を形成しないフォトニック結晶半導体光増幅器は、注入電流が約20mAのときにレーザ発振が起こることが確認されたが、本実施の形態1に係るフォトニック結晶半導体光増幅器では注入電流が20mAでもレーザ発振は起こらず、レーザ発振が防止されていることが確認された。また、増幅器内を光が伝搬する方向の長さが10μmと短くても利得が30dBと高い値を実現できることが確認された。   In order to confirm the effect of the present invention, the photonic crystal semiconductor optical amplifier according to the first embodiment manufactured by the above method and the photonic manufactured by the same method as described above except that the InGaAs light absorption layer is not formed. The amplification characteristics of the crystal semiconductor optical amplifier were evaluated. Then, it was confirmed that the photonic crystal semiconductor optical amplifier in which the InGaAs light absorption layer is not formed has laser oscillation when the injection current is about 20 mA. However, in the photonic crystal semiconductor optical amplifier according to the first embodiment, It was confirmed that laser oscillation did not occur even when the injection current was 20 mA, and laser oscillation was prevented. It was also confirmed that a gain as high as 30 dB could be realized even if the length of the light propagation direction in the amplifier was as short as 10 μm.

(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2に係るフォトニック結晶半導体光増幅器について説明する。本実施の形態2に係るフォトニック結晶半導体光増幅器は、実施の形態1に係るフォトニック結晶半導体光増幅器とは異なり、線欠陥導波路領域から広がって分布する光が上部クラッド層の上方に形成された電極に吸収されるものである。
(Embodiment 2)
Next, a photonic crystal semiconductor optical amplifier according to the second embodiment of the present invention will be described. Unlike the photonic crystal semiconductor optical amplifier according to the first embodiment, the photonic crystal semiconductor optical amplifier according to the second embodiment forms light that spreads and distributes from the line defect waveguide region above the upper cladding layer. Is absorbed by the formed electrode.

図8は、本実施の形態2に係るフォトニック結晶半導体光増幅器を模式的に表した斜視図と、積層方向の位置に対する線欠陥導波路領域から両側に広がって分布する光の電界強度分布のグラフを示す図である。なお、図8においては両端部に形成されるリッジ導波路を省略して表している。本実施の形態2に係るフォトニック結晶半導体光増幅器200は、実施の形態1に係るフォトニック結晶半導体光増幅器100と同様に、n−InP基板201と、n−InPバッファ層202と、バンドギャップ波長が1300nmのInGaAsP活性層203と、p−InPクラッド層204と、p−InGaAsPコンタクト層205と、n−InP基板201の下面に形成されたAuGeNi/Auからなるn側電極206とを有し、両端にはバンドギャップ波長1100nmのInGaAsP導波路層を有するリッジ導波路が形成されている。そして、複数の円筒状の空孔210を有する空孔形成領域211と、線欠陥導波路領域212とが形成されている。しかし、InGaAsP活性層203がメサストライプ状に形成されず、電流阻止層が形成されず、p−InGaAsPコンタクト層205の上面にはTi/Pt/Auからなるp側光吸収電極207a、207bが形成されている点が異なる。   FIG. 8 is a perspective view schematically showing the photonic crystal semiconductor optical amplifier according to the second embodiment, and an electric field intensity distribution of light spreading from both sides of the line defect waveguide region to the position in the stacking direction. It is a figure which shows a graph. In FIG. 8, ridge waveguides formed at both ends are omitted. Similar to the photonic crystal semiconductor optical amplifier 100 according to the first embodiment, the photonic crystal semiconductor optical amplifier 200 according to the second embodiment includes an n-InP substrate 201, an n-InP buffer layer 202, and a band gap. An InGaAsP active layer 203 having a wavelength of 1300 nm, a p-InP cladding layer 204, a p-InGaAsP contact layer 205, and an n-side electrode 206 made of AuGeNi / Au formed on the lower surface of the n-InP substrate 201. A ridge waveguide having an InGaAsP waveguide layer with a band gap wavelength of 1100 nm is formed at both ends. A hole forming region 211 having a plurality of cylindrical holes 210 and a line defect waveguide region 212 are formed. However, the InGaAsP active layer 203 is not formed in a mesa stripe, no current blocking layer is formed, and p-side light absorption electrodes 207a and 207b made of Ti / Pt / Au are formed on the upper surface of the p-InGaAsP contact layer 205. Is different.

波長1300nm付近で動作するフォトニック結晶半導体光増幅器200においては、空孔210の直径は200nm、格子定数は320nmである。また、線欠陥導波路領域212を挟んで隣接する空孔中心間の距離は554nmであり、三角格子状に配列されたパターンのうち一列を除いたものとなっている。   In the photonic crystal semiconductor optical amplifier 200 operating near a wavelength of 1300 nm, the diameter of the holes 210 is 200 nm and the lattice constant is 320 nm. Further, the distance between adjacent hole centers with the line defect waveguide region 212 interposed therebetween is 554 nm, and one line is excluded from the patterns arranged in a triangular lattice pattern.

次に、フォトニック結晶半導体光増幅器200の動作原理について説明する。フォトニック結晶半導体光増幅器100の場合と同様に、バンド端付近の波数に相当するモードの光は線欠陥導波路領域212の外側に広がって分布する。線欠陥導波路領域からの広がって分布するバンド端付近の光の電界強度は、図8のグラフに示されるように積層方向に対して曲線E3のような形状で示される分布を有するが、p側光吸収電極207a、207bは上記のグラフにおいて位置P1に対応する位置、すなわち曲線E3で示されるバンド端付近の光の電界が及ぶ位置に形成されている。p側光吸収電極207a、207bはTi/Pt/Auからなり、1300nm帯の光を吸収する。したがって、線欠陥導波路領域212の外側に光が分布するバンド端付近の波数に相当するモードの光に対して選択的に損失を与えることができるため、バンド端に相当する波長でのレーザ発振を防止することができる。   Next, the operation principle of the photonic crystal semiconductor optical amplifier 200 will be described. As in the case of the photonic crystal semiconductor optical amplifier 100, light in a mode corresponding to the wave number near the band edge is spread and distributed outside the line defect waveguide region 212. The electric field intensity of light in the vicinity of the band edge spread from the line defect waveguide region has a distribution indicated by a shape like a curve E3 with respect to the stacking direction as shown in the graph of FIG. The side light absorbing electrodes 207a and 207b are formed at a position corresponding to the position P1 in the above graph, that is, a position where the electric field of light near the band edge indicated by the curve E3 reaches. The p-side light absorption electrodes 207a and 207b are made of Ti / Pt / Au and absorb light in the 1300 nm band. Therefore, a loss can be selectively given to light in a mode corresponding to the wave number in the vicinity of the band edge where light is distributed outside the line defect waveguide region 212, so that laser oscillation at a wavelength corresponding to the band edge is achieved. Can be prevented.

本実施の形態2に係るフォトニック結晶半導体光増幅器200の製造方法については、InGaAsP活性層をメサストライプ形状とせず埋め込み層を形成しないこと以外は、実施の形態1に係るフォトニック結晶半導体光増幅器100の製造方法と同様に行うことができる。ただし、実施の形態1では上部クラッド層104の厚さは1μm程度以上としたが、本実施の形態2では、上部クラッド層204を400nm程度の薄い厚さで成長させて、線欠陥導波路領域212から外側に広がって分布するバンド端付近の光の電界が十分な強度でp側光吸収電極207a、207bの位置に及ぶようにする。また、p側光吸収電極207a、207bは、バンド端付近に相当する波長の光のみを吸収しうるものとなるよう、線欠陥導波路領域212の外側にのみ形成する。   Regarding the method of manufacturing the photonic crystal semiconductor optical amplifier 200 according to the second embodiment, the photonic crystal semiconductor optical amplifier according to the first embodiment is the same except that the InGaAsP active layer is not formed in a mesa stripe shape and a buried layer is not formed. It can carry out similarly to the manufacturing method of 100. However, although the thickness of the upper clad layer 104 is about 1 μm or more in the first embodiment, in the second embodiment, the upper clad layer 204 is grown with a thin thickness of about 400 nm to obtain a line defect waveguide region. The electric field of the light in the vicinity of the band edge that spreads outward from 212 reaches the positions of the p-side light absorption electrodes 207a and 207b with sufficient intensity. Further, the p-side light absorption electrodes 207a and 207b are formed only outside the line defect waveguide region 212 so that only light having a wavelength corresponding to the vicinity of the band edge can be absorbed.

本発明の効果を確認するために、上記の方法で作製した本実施の形態2に係るフォトニック結晶半導体光増幅器の増幅特性について評価した。すると、本実施の形態2に係るフォトニック結晶半導体光増幅器は注入電流が30mAでもレーザ発振は起こらず、レーザ発振が防止されていることが確認された。また、増幅器内を光が伝搬する方向の長さが10μmと短くても利得が30dBと高い値を実現できることが確認された。   In order to confirm the effect of the present invention, the amplification characteristics of the photonic crystal semiconductor optical amplifier according to the second embodiment manufactured by the above method were evaluated. Then, it was confirmed that the photonic crystal semiconductor optical amplifier according to the second embodiment did not cause laser oscillation even when the injection current was 30 mA and prevented laser oscillation. It was also confirmed that a gain as high as 30 dB could be realized even if the length of the light propagation direction in the amplifier was as short as 10 μm.

(実施の形態3)
次に、本発明の実施の形態3に係る集積型光半導体素子について説明する。本実施の形態3に係る集積型光半導体素子は、本実施の形態1に係るフォトニック結晶半導体光増幅器同様のフォトニック結晶半導体光増幅器と、これに接続された複数の半導体レーザとが、1つの基板上に集積されたものである。
(Embodiment 3)
Next, an integrated optical semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described. The integrated optical semiconductor device according to the third embodiment includes a photonic crystal semiconductor optical amplifier similar to the photonic crystal semiconductor optical amplifier according to the first embodiment and a plurality of semiconductor lasers connected thereto. Integrated on one substrate.

図9は、本発明の実施の形態3に係る集積型光半導体素子1000を模式的に表した平面図である。この集積型光半導体素子1000は、本実施の形態1に係るフォトニック結晶半導体光増幅器100と同様の構成を有しリッジ導波路が片側だけに形成されたフォトニック結晶半導体光増幅器300と、波長の異なるレーザ光を出射する半導体レーザ401〜404と、曲がり導波路501〜504と、波長の異なる光を合波する合波器であるMMI(Multi−Mode Interference)カプラ600とが、基板700の上に集積されたものである。   FIG. 9 is a plan view schematically showing an integrated optical semiconductor element 1000 according to the third embodiment of the present invention. This integrated optical semiconductor element 1000 has a configuration similar to that of the photonic crystal semiconductor optical amplifier 100 according to the first embodiment, a photonic crystal semiconductor optical amplifier 300 having a ridge waveguide formed only on one side, a wavelength Semiconductor lasers 401 to 404 that emit laser beams having different wavelengths, curved waveguides 501 to 504, and an MMI (Multi-Mode Interference) coupler 600 that is a multiplexer that multiplexes light having different wavelengths It is collected on top.

半導体レーザ401〜404から出射された波長の異なるレーザ光は、曲がり導波路501〜504により導波され、MMIカプラ600により合波される。合波された光は、曲がり導波路501〜504の導波路損失やMMIカプラ600の結合損失により光強度が減少しているが、フォトニック結晶半導体光増幅器300により増幅されて前記の損失が補償され、リッジ導波路から出射される。   Laser beams having different wavelengths emitted from the semiconductor lasers 401 to 404 are guided by the curved waveguides 501 to 504 and multiplexed by the MMI coupler 600. The light intensity of the combined light is reduced by the waveguide loss of the bent waveguides 501 to 504 and the coupling loss of the MMI coupler 600, but is amplified by the photonic crystal semiconductor optical amplifier 300 to compensate for the loss. And emitted from the ridge waveguide.

なお、本実施の形態1または2に係るフォトニック結晶半導体光増幅器において、半導体レーザなどの外部光源との接続のため、リッジ導波路の外側にスポットサイズ変換器を適宜設けてもよい。   In the photonic crystal semiconductor optical amplifier according to the first or second embodiment, a spot size converter may be appropriately provided outside the ridge waveguide for connection to an external light source such as a semiconductor laser.

また、本実施の形態3に係る集積型光半導体素子において、半導体レーザは非特許文献1に記載されたような線欠陥型のフォトニック結晶光半導体レーザであってもよい。また、波長合波器は非特許文献2に記載されたような点欠陥型のフォトニック結晶光共振器を用いた波長合波器であってもよい。   In the integrated optical semiconductor device according to the third embodiment, the semiconductor laser may be a line defect type photonic crystal optical semiconductor laser as described in Non-Patent Document 1. The wavelength multiplexer may be a wavelength multiplexer using a point defect type photonic crystal optical resonator as described in Non-Patent Document 2.

本発明の実施の形態1に係るフォトニック結晶半導体光増幅器を模式的に表した平面図である。1 is a plan view schematically showing a photonic crystal semiconductor optical amplifier according to a first embodiment of the present invention. 図1のフォトニック結晶半導体光増幅器を模式的に表した斜視図である。FIG. 2 is a perspective view schematically showing the photonic crystal semiconductor optical amplifier of FIG. 1. 図1に示したフォトニック結晶半導体光増幅器のX−X線断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the photonic crystal semiconductor optical amplifier shown in FIG. 1 taken along line XX. 図1に示したフォトニック結晶半導体光増幅器のY−Y線断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the photonic crystal semiconductor optical amplifier shown in FIG. 1 taken along line YY. 図1のフォトニック結晶半導体光増幅器の線欠陥導波路領域の導波路モードの分散関係を示すグラフである。2 is a graph showing a dispersion relationship of waveguide modes in a line defect waveguide region of the photonic crystal semiconductor optical amplifier of FIG. 1. 図5においてk=0.5π/aの波数に相当するモードにおける、導波路の長手方向一周期分に対する導波路モードの光の電界強度分布を示す図である。It is a figure which shows the electric field strength distribution of the light of the waveguide mode with respect to one period of the longitudinal direction of a waveguide in the mode corresponded to the wave number of k = 0.5 (pi) / a in FIG. 図5においてk=π/aの波数に相当するモードにおける、導波路の長手方向一周期分に対する導波路モードの光の電界強度分布を示す図である。It is a figure which shows the electric field strength distribution of the light of the waveguide mode with respect to one period of the longitudinal direction of a waveguide in the mode corresponded to the wave number of k = (pi) / a in FIG. 本発明の実施の形態2に係るフォトニック結晶半導体光増幅器を模式的に表した斜視図と、積層方向の位置に対する線欠陥導波路領域から両側に分布する光の電界強度分布のグラフを示す図である。The perspective view which represented typically the photonic crystal semiconductor optical amplifier which concerns on Embodiment 2 of this invention, and the figure which shows the graph of the electric field strength distribution of the light distributed on both sides from the line defect waveguide area | region with respect to the position of a lamination direction It is. 本発明の実施の形態3に係る集積型光半導体素子を模式的に表した平面図である。FIG. 6 is a plan view schematically showing an integrated optical semiconductor device according to a third embodiment of the present invention. 従来のフォトニック結晶半導体光増幅器を模式的に表した斜視図である。It is the perspective view which represented the conventional photonic crystal semiconductor optical amplifier typically.

符号の説明Explanation of symbols

100〜300 フォトニック結晶半導体光増幅器
101、201 n−InP基板
102、202 n−InPバッファ層
103、203 InGaAsP活性層
104、204 p−InPクラッド層
104a p−InPクラッド部
105、205 p−InGaAsコンタクト層
106、206 n側電極
107 p側電極
108 電流阻止層
108a n−InP層
108b p−InP層
109 InGaAs光吸収層
110、210 空孔
110a 空孔の直径
110b 格子定数
111、211 空孔形成領域
112、212 線欠陥導波路領域
120、130 リッジ導波路
121 n―InPバッファ層
122 InGaAsP導波路層
123、124 p−InPクラッド層
207a、207b p側光吸収電極
401〜404 半導体レーザ
501〜504 曲がり導波路
600 MMIカプラ
700 基板
1000 集積型光半導体素子
100 to 300 Photonic crystal semiconductor optical amplifier 101, 201 n-InP substrate 102, 202 n-InP buffer layer 103, 203 InGaAsP active layer 104, 204 p-InP clad layer 104a p-InP clad part 105, 205 p-InGaAs Contact layer 106, 206 n-side electrode 107 p-side electrode 108 current blocking layer 108a n-InP layer 108b p-InP layer 109 InGaAs light absorbing layer 110, 210 hole 110a hole diameter 110b lattice constant 111, 211 hole formation Region 112, 212 Line defect waveguide region 120, 130 Ridge waveguide 121 n-InP buffer layer 122 InGaAsP waveguide layer 123, 124 p-InP clad layer 207a, 207b p-side light absorption electrodes 401-404 Semiconductor Laser 501 to 504 bend waveguide 600 MMI coupler 700 substrate 1000 integrated optical semiconductor device

Claims (7)

半導体基板上に積層された下部クラッド層と上部クラッド層との間に活性層を積層して形成するとともに、所望の光を導波する線欠陥導波路領域を除いて前記上部クラッド層から前記活性層が積層された方向へ該活性層の下面よりも深い位置まで前記積層方向に垂直な面内において2次元的な屈折率の周期構造を形成するように複数の空孔が格子状に配列された空孔形成領域を形成し、前記線欠陥導波路領域の活性層内を導波する光を増幅するフォトニック結晶半導体光増幅器であって、
前記線欠陥導波路領域の外側に、前期周期構造によって形成されるフォトニックバンド構造のバンド端の光を減衰させることのできる光減衰部を備えることを特徴とするフォトニック結晶半導体光増幅器。
An active layer is formed by laminating between a lower clad layer and an upper clad layer laminated on a semiconductor substrate, and the active layer is activated from the upper clad layer except for a line defect waveguide region that guides desired light. A plurality of vacancies are arranged in a lattice pattern so as to form a periodic structure having a two-dimensional refractive index in a plane perpendicular to the laminating direction to a position deeper than the lower surface of the active layer in the laminating direction. A photonic crystal semiconductor optical amplifier for amplifying light guided in an active layer of the line defect waveguide region,
2. A photonic crystal semiconductor optical amplifier comprising an optical attenuator capable of attenuating light at a band edge of a photonic band structure formed by a periodical structure outside the line defect waveguide region.
前記光減衰部は前記バンド端の光に対して吸収性を有する光吸収半導体層であることを特徴とする請求項1に記載のフォトニック結晶半導体光増幅器。   The photonic crystal semiconductor optical amplifier according to claim 1, wherein the light attenuating portion is a light absorbing semiconductor layer having absorptivity with respect to light at the band edge. 前記線欠陥導波路領域の外側に注入電流が流れないように前記線欠陥導波路領域を両側から埋め込むように形成された電流阻止層を有し、前記光吸収半導体層は、該電流阻止層に設けられていることを特徴とする請求項2に記載のフォトニック結晶半導体光増幅器。   A current blocking layer formed so as to bury the line defect waveguide region from both sides so that an injection current does not flow outside the line defect waveguide region; and the light absorption semiconductor layer is formed on the current blocking layer. The photonic crystal semiconductor optical amplifier according to claim 2, wherein the photonic crystal semiconductor optical amplifier is provided. 前記電流阻止層は、p型半導体層とn型半導体層を積層してなり、前記光吸収半導体層は前記p型半導体層とn型半導体層との間に積層されていることを特徴とする請求項3に記載のフォトニック結晶半導体光増幅器。   The current blocking layer is formed by stacking a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer, and the light absorption semiconductor layer is stacked between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer. The photonic crystal semiconductor optical amplifier according to claim 3. 前記光減衰部は、前記積層方向において前記バンド端の光の電界が及ぶ位置に形成された、前記バンド端の光に対して吸収性を有する光吸収電極であることを特徴とする請求項1に記載のフォトニック結晶半導体光増幅器。   The light attenuating portion is a light absorption electrode formed at a position where the electric field of the light at the band edge reaches in the stacking direction and having an absorptivity with respect to the light at the band edge. A photonic crystal semiconductor optical amplifier described in 1. 前記活性層は多重量子井戸からなるものであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載のフォトニック結晶半導体光増幅器。   6. The photonic crystal semiconductor optical amplifier according to claim 1, wherein the active layer is composed of a multiple quantum well. 請求項1〜6のいずれか一つに記載のフォトニック結晶半導体光増幅器と、前記フォトニック結晶半導体光増幅器に接続された光半導体素子とが、前記半導体基板上に集積されてなることを特徴とする集積型光半導体素子。   7. The photonic crystal semiconductor optical amplifier according to claim 1 and an optical semiconductor element connected to the photonic crystal semiconductor optical amplifier are integrated on the semiconductor substrate. An integrated optical semiconductor device.
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5147041B2 (en) * 2006-09-21 2013-02-20 古河電気工業株式会社 Photonic crystal optical device
JP5196179B2 (en) 2009-01-29 2013-05-15 セイコーエプソン株式会社 Light emitting device
JP5505827B2 (en) * 2009-02-23 2014-05-28 独立行政法人情報通信研究機構 Optical waveguide type semiconductor
JP5356088B2 (en) 2009-03-27 2013-12-04 古河電気工業株式会社 Semiconductor laser, method for generating laser beam, and method for narrowing spectral line width of laser beam
US8462827B2 (en) 2009-09-01 2013-06-11 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Photonic crystal device
CN101950925B (en) * 2010-09-08 2012-04-25 中国科学院半导体研究所 Photonic crystal slow light effect-based optical amplifier with polarization-independent characteristic
JP7077549B2 (en) * 2017-09-06 2022-05-31 日本電信電話株式会社 Multi-wavelength light source
CN111684342B (en) * 2018-02-08 2023-07-28 古河电气工业株式会社 Optical integrated element and optical module

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6016488A (en) * 1984-06-08 1985-01-28 Hitachi Ltd Semiconductor laser device
JPH0575214A (en) * 1991-09-12 1993-03-26 Toshiba Corp Semiconductor device
JPH0837344A (en) * 1994-07-25 1996-02-06 Oki Electric Ind Co Ltd Semiconductor laser type optical amplifier
JPH11233871A (en) * 1998-02-09 1999-08-27 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Semiconductor laser device
JPH11330619A (en) * 1998-05-18 1999-11-30 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Optical device
JP2004119671A (en) * 2002-09-26 2004-04-15 Mitsubishi Electric Corp Optical active device
JP2005064471A (en) * 2003-07-25 2005-03-10 Mitsubishi Electric Corp Optical device, manufacturing method thereof, and semiconductor laser oscillator

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6016488A (en) * 1984-06-08 1985-01-28 Hitachi Ltd Semiconductor laser device
JPH0575214A (en) * 1991-09-12 1993-03-26 Toshiba Corp Semiconductor device
JPH0837344A (en) * 1994-07-25 1996-02-06 Oki Electric Ind Co Ltd Semiconductor laser type optical amplifier
JPH11233871A (en) * 1998-02-09 1999-08-27 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Semiconductor laser device
JPH11330619A (en) * 1998-05-18 1999-11-30 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Optical device
JP2004119671A (en) * 2002-09-26 2004-04-15 Mitsubishi Electric Corp Optical active device
JP2005064471A (en) * 2003-07-25 2005-03-10 Mitsubishi Electric Corp Optical device, manufacturing method thereof, and semiconductor laser oscillator

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