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JP5387671B2 - 半導体レーザ及び集積素子 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体レーザ、シリコン導波路基板、集積素子に関する。
近年、それ自体は発光効率が小さく光源として不向きなシリコン材料を用いて、半導体レーザを構成することが検討されている。
例えば、シリコン基板上に形成したシリコン導波路上に、発光効率の高いIII−V族材料をウェハボンディングして、シリコン導波路を光が伝播する際に、III−V族材料にエバネッセント結合し、光利得が得られるようにした、エバネッセントレーザがある。つまり、シリコン基板上にIII−V族材料をハイブリッド集積したハイブリッド集積エバネッセントレーザがある。
また、このようなハイブリッド集積エバネッセントレーザにおいて、単一モード発振が得られるようにすべく、シリコン基板側の表面にλ/4位相シフトを有する回折格子を設けてDFB(Distributed Feed-Back)レーザ構造としたものもある。さらに、III−V族材料の両端面で生じる反射を小さく抑えるために、III−V族材料の両端面をテーパ構造にしたものもある。
Alexander W. Fang et al., "Distributed Feedback Silicon Evanescent Laser", Optical Fiber Communication Conference 2008, PDP-15 Hyundai Park et al., "A Hybrid AlGaInAs-Silicon Evanescent Amplifier", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.19, NO.4, FEBRUARY 15, 2007
ところで、通常、λ/4位相シフトを有するDFBレーザにおいて、安定した単一モード発振を得るためには、レーザ端面での反射戻り光(反射光)を小さく抑えるか、反射光に位相シフトが生じないようにする必要がある。
しかしながら、上述のハイブリッド集積エバネッセントレーザでは、どちらも困難である。
つまり、まず、ハイブリッド集積エバネッセントレーザでは、シリコン導波路上にIII−V族材料が貼り付けられている領域と貼り付けられていない領域とがあると、これらの領域は互いに導波路構造が異なることになる。このため、導波路の等価屈折率に差が生じ、これらの領域の境界で反射が起きやすくなる。
また、III−V族材料の光軸方向の両端面の位置を、シリコン基板側に形成された回折格子の位相に合うように加工することは大変困難である。このため、反射光の位相シフトが生じないようにすることも困難である。
さらに、上述のIII−V族材料の両端面にテーパ構造を設けるものでは、テーパ構造の先端の幅を非常に小さくする必要がある。このような加工は一般に困難であり、結果的に、得られる反射率に歩留まりが生じることになる。また、テーパ構造の先端がシリコン導波路の中心に位置するように加工する必要があるが、このような軸合わせも一般に困難であり、反射率に歩留まりが生じ、安定した単一モード発振が得られない。
そこで、反射率に歩留まりが生じないようにしながら、安定した単一モード発振が得られるようにしたい。
このため、本半導体レーザは、シリコンを含む材料からなり、光導波路と、位相シフトを有する第1回折格子と、第2回折格子とを含む第1の部分と、第1の部分と異なる材料からなる発光層を含む第2の部分と、第1回折格子と、第1回折格子に対応する位置に設けられた光導波路及び発光層とを含むレーザ領域と、第2回折格子と、第2回折格子に対応する位置に設けられた光導波路及び発光層とを含むミラー領域とを備え、第1回折格子及び第2回折格子は、光導波路に沿う方向の一部に形成されており、第2の部分は、第1回折格子及び第2回折格子の全体を覆い、第2の部分の両端面が、第1回折格子及び第2回折格子が形成されている領域の外側に位置することを要件とする。
本集積素子は、上記の半導体レーザと、機能素子とを備え、半導体レーザ及び機能素子が同一シリコン基板上に集積されていることを要件とする。
したがって、上述の構成によれば、反射率に歩留まりが生じないようにしながら、安定した単一モード発振を得つつ、半導体レーザからの光出力を増大させることができるという利点がある。
本実施形態にかかる半導体レーザの構成を示す模式的断面図(光軸方向に沿う断面図)である。 本実施形態にかかる半導体レーザの構成を示す模式的断面図(光軸方向に直交する方向に沿う断面図)である。 本実施形態にかかる半導体レーザを構成するシリコン導波路基板の構成を示す模式的平面図である。 本実施形態にかかる半導体レーザの構成を示す模式的平面図である。 本実施形態にかかる半導体レーザの変形例の構成を示す模式的断面図(光軸方向に沿う断面図)である。 本実施形態にかかる半導体レーザを備える集積素子(光インターコネクション機能を有する集積素子)の構成を示す模式図である。 本実施形態にかかる半導体レーザを備える集積素子(トランシーバ機能を有する集積素子)の構成を示す模式図である。
符号の説明
1 シリコン導波路基板
2 発光材料基板
3 シリコン基板
4 シリコン導波路
4A 導波路コア
5 位相シフト
6 第1回折格子
7 第2回折格子
8 シリコン酸化膜
9 シリコン層
10 DFBレーザ領域
11 DBRミラー領域
12 AlGaInAs系MQW活性層(発光層)
13 p型AlGaInAs−SCH層
14 p型InPクラッド層
15 p型InGaAsコンタクト層
16 斜め端面
17 n型InP接着層
18 n型InGaAsP/InP超格子層
19 n型InPスペーサ層
20 p側電極
21 n側電極
22 p型InP基板
23,24 高抵抗領域
30 光インターコネクション機能を有するチップ(集積素子)
31 半導体レーザ
32 レーザ電源(ドライバ)
33 モニタ用フォトディテクタ
34 光分岐素子
35 シリコン変調器
36 変調器ドライバ回路
37 電気アンプ
38 フォトディテクタ
39 論理回路
40 他の光インターコネクション機能を有するチップ
41 プリント基板
50 シリコン基板上集積トランシーバチップ(集積素子)
51 半導体レーザ
52 レーザ電源(ドライバ)
53 モニタ用フォトディテクタ
54 シリコン変調器
55 変調器ドライバ回路(駆動回路)
56 電気アンプ
57 フォトディテクタ
以下、図面により、本実施形態にかかる半導体レーザ、シリコン導波路基板及びこれらの製造方法について、図1〜図4を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる半導体レーザ(レーザダイオード)は、例えば光通信用の光源として用いられ、シリコン基板に発光材料を貼り付けてハイブリッド集積したハイブリッド集積レーザ(ハイブリッドレーザ)である。また、本半導体レーザは、シリコン導波路を含むシリコン基板に発光材料を接着(融着)して、シリコン導波路を光が伝播する際に、発光材料にエバネッセント結合し、光利得が得られるようにしたエバネッセントレーザである。
本実施形態では、図1に示すように、シリコン基板3上に導波路構造を有するシリコン導波路基板(シリコン導波路素子;第1の部分)1上に、発光材料基板(発光材料素子;第2の部分)2をウェハボンディングしたハイブリッド集積エバネッセントレーザである。
ここで、シリコン導波路基板1は、シリコンを含む材料からなる。
そして、シリコン導波路基板1は、シリコン基板3と、このシリコン基板3上に形成されたシリコン導波路4と、位相シフト5を有し、レーザの発振波長を決める第1回折格子6と、レーザの発振波長に対して反射ミラーとして機能する第2回折格子7とを含む。なお、シリコン基板3は、シリコンを含む基板であれば良い。また、シリコン導波路4は、シリコンを含む材料からなる光導波路であれば良い。
ここでは、シリコン導波路基板1に含まれるシリコン導波路4は、図2に示すように、リブ構造の導波路コア4Aを備える。
具体的には、シリコン導波路基板1は、シリコン基板3と、シリコン基板3上に形成されたシリコン酸化膜8と、シリコン酸化膜8上に形成され、リブ構造の導波路コア4Aを含むシリコン層9とを備える。
ここでは、シリコン導波路基板1として、シリコン基板3上にシリコン酸化膜8を間に挟んでシリコン層9が形成されているSOI(Silicon On Insulator)基板に、図2に示すような断面構造の導波路コア4Aを形成したものを用いている。つまり、図2に示すように、SOI基板のシリコン層9を加工して、リブ構造の断面を有する導波路コア4Aを形成したものを、シリコン導波路基板1として用いている。
なお、シリコン酸化膜8は、埋め込み酸化膜(BOX層)ともいう。また、シリコン層9は、シリコン薄膜層(SOI層)ともいう。ここでは、シリコン酸化膜8の厚さは3μmである。また、シリコン層9の厚さは0.7μmである。
ここでは、図2に示すように、リブ構造の導波路コア4Aのリブ部分は、幅が1.5μmであり、厚さが0.7μmである。また、リブ構造の導波路コア4Aのリブ部分の両側へ延びるスラブ部分(シリコン層9の厚さが薄くなっている部分;スラブ層)は、幅が10μmであり、厚さが0.2μmである。さらに、リブ構造の導波路コア4Aのスラブ部分の両側に連なる部分(シリコン層9)は、厚さが0.7μmである。
そして、本実施形態では、図3に示すように、シリコン導波路4を構成するリブ構造の導波路コア4Aの側面に、位相シフト5を含む第1回折格子6及び第2回折格子7が形成されている。
ここでは、第2回折格子7は、光導波路4に沿う方向の一方(ここでは後端面側;レーザ光が出力される側とは反対側;図3中、左側)に、第1回折格子6に連なるように設けられている。
また、第2回折格子7は、第1回折格子6の結合係数よりも大きい結合係数を有する。
ここでは、シリコン導波路4の導波路コア4Aの幅を周期的に変調させることで、結合係数の異なる第1回折格子6及び第2回折格子7を形成している。なお、第1回折格子6は、一定の結合係数を有する。また、第2回折格子7は、一定の結合係数を有する。
つまり、回折格子を形成する際に、回折格子の一方の端部近傍領域(第2回折格子形成領域)において、他の領域(第1回折格子形成領域)と比較して、回折格子の溝の深さが深くなるようにしている(即ち、導波路コア4Aの幅が狭くなるようにしている)。これにより、第1回折格子6に連なるように、第1回折格子6の結合係数よりも大きい結合係数を有する第2回折格子7が形成されることになる。この場合、第1回折格子6と第2回折格子7とは、同一プロセスにて一括形成することができるため、第1回折格子6と第2回折格子7との接続部分において位相シフトが入らないように連続的に形成することができる。
このように、本実施形態では、DBRレーザ領域11に含まれる第2回折格子7の結合係数を、DFBレーザ領域10に含まれる第1回折格子6の結合係数と比較して大きくすることによって、DBRミラー領域11への光の進入長が非常に小さくなるようにしている。このようにして、後述のDBRミラー領域11に含まれる発光層(活性層)12で生じる光吸収によるレーザ光出力の減少を小さく抑えることができるようにしている。
また、シリコン酸化膜8上に形成されたシリコン層9にリブ構造の導波路コア4Aが形成されるため、コア(シリコン薄膜層)とクラッド(空気又はシリコン酸化膜)との間の屈折率コントラストが大きい。このため、III−V族材料の導波路に回折格子を形成する場合と比較して、回折格子の溝の深さが同じであったとしても、結合係数を大きくすることができる。
具体的には、位相シフト5を含む第1回折格子6及び第2回折格子7は、以下のように形成されている。
まず、図3に示すように、シリコン導波路4を構成するリブ構造の導波路コア4Aの第1回折格子6及び第2回折格子7が形成されていない部分の幅は、1.5μmである。
これに対し、DFBレーザ領域10に含まれる導波路コア4Aは、幅1.5μmの導波路コアと幅1.4μmの導波路コアとが周期230.0nmにて交互に並べられた構造になっている。つまり、DFBレーザ領域10に含まれるリブ構造の導波路コア4Aの側面に、深さ0.1μmの溝を周期的に形成することによって、第1回折格子6としての側面回折格子を形成している。
ここでは、DFBレーザ領域10に含まれる第1回折格子6の結合係数は、130/cmである。また、DFBレーザ領域10に含まれる第1回折格子6の光軸方向の全体の長さは、230μmである。
一方、DBRミラー領域11に含まれる導波路コア4Aは、幅1.5μmの導波路コアと幅0.9μmの導波路コアとが周期230.9nmにて交互に並べられた構造になっている。つまり、DBRミラー領域11に含まれるリブ構造の導波路コア4Aの側面に、深さ0.6μmの溝を周期的に形成することによって、第2回折格子7としての側面回折格子を形成している。
ここでは、DBRレーザ領域11に含まれる第2回折格子7の結合係数は、500/cmである。また、DBRレーザ領域11に含まれる第2回折格子7の光軸方向の全体の長さは、116μmである。
これらの第1回折格子6と第2回折格子7とは、後述するように、同一プロセスにて一括形成されるため、第1回折格子6と第2回折格子7との間には実質的に位相シフトが存在しない。
このように、本実施形態では、導波路コア4Aの側面に第1回折格子6及び第2回折格子7を一括形成するため、DFBレーザ領域10とDBRミラー領域11との間で位相シフトなしに回折格子の結合係数を変化させることができる。
これに対し、シリコン導波路基板の表面に回折格子を形成する場合、結合係数の異なる回折格子を一括形成するのは難しく、結合係数の異なる回折格子を位相シフトが存在しないようにするのは困難である。
また、本実施形態では、位相シフト5は、λ/4位相シフトであり、第1回折格子6が形成されている領域の光軸方向中心位置に設けられている。これにより、単一モード発振が得られるようにしている。
ところで、発光材料基板(ウェハ)2は、図1,図2に示すように、シリコン導波路基板1と異なる材料からなる発光層12を含む。つまり、発光材料基板2は、シリコンを含む材料と異なる発光材料からなる発光層12を含む。
ここでは、発光層12は、III−V族半導体材料からなるIII−V族半導体層である。このようなIII−V族半導体材料からなる発光層12を含む発光材料基板2は、シリコン基板と異なる材料からなる基板、例えば、III−V族半導体材料からなるIII−V族半導体基板(半導体基板;図示せず)上に形成される。
本実施形態では、III−V族半導体基板(図示せず;例えばInP基板)上に、III−V族半導体材料からなる発光層12を含む半導体積層構造を形成した後、III−V族半導体基板(図示せず)を除去したものを、発光材料基板2として用いている。
具体的には、発光材料基板2は、図1,図2に示すように、シリコン導波路基板1上に貼り付けた状態で、シリコン導波路基板1に近い側から順に、発光層12としてのAlGaInAs系多重量子井戸(MQW:Multi quantum well)活性層、p型AlGaInAs−SCH層13、p型InPクラッド層14、p型InGaAsコンタクト層15を積層させた構造になっている。
ここでは、AlGaInAs系MQW活性層12は、ノンドープ1.3Q−AlGaInAs/1.7Q−AlGaInAsMQW層である。また、p型AlGaInAs−SCH層13は、pドープ1.3Q−AlGaInAs−SCH層である。
また、ノンドープ1.3Q−AlGaInAs/1.7Q−AlGaInAsMQW層12の膜厚は、例えば10nm/7nm(×8周期)である。また、pドープ1.3Q−AlGaInAs−SCH層13の膜厚は、例えば0.25μmである。また、p型InPクラッド層14は、例えば0.5μmである。また、p型InGaAsコンタクト層15は、例えば0.1μmである。
なお、発光材料基板2の詳細については、例えば、Hyundai Park et al., “A Hybrid AlGaInAs-Silicon Evanescent Amplifier”, IEEE PHOTONICA TECNOLOGY LETTERS, VOL.19, NO.4, p.230, FEBRUARY 15, 2007に記載されている。
また、本実施形態では、図4に示すように、発光材料基板2の両端面(終端面)、特に、発光層12の両端面(終端面)は、それぞれ、光導波路4に直交する方向(光軸に垂直な面;図4中、符号Xで示す)に対して約5°〜約15°(ここでは7°程度)傾いている。つまり、発光材料基板2、特に、発光層12は、光導波路4に直交する方向に対する角度θが約5°〜約15°(ここでは7°程度)である斜め端面16を有する。これにより、発光層12の両端面、特に、DFBレーザ領域10の出射面における反射を十分に小さくすることができる。このため、従来技術のように、レーザの両端面側に、作製が困難なテーパ構造を設けることなく、安定した単一モード発振が得られる。
なお、ここでは、発光層12の両端面が光導波路4に直交する方向に対して約5°〜約15°傾くように形成しているが、これに限られるものではない。上述のように、光導波路に沿う方向の一方(ここでは後端面側;レーザ光が出力される側とは反対側;図3中、左側)には第2回折格子7が設けられている(図3参照)。このため、発光層12は、光導波路に沿う方向の他方の端面(ここでは前端面;レーザ光が出力される側の端面;図4中、右側)が光導波路に直交する方向に対して約5°〜約15°傾いていれば良い。これにより、第2回折格子7が設けられていないレーザの前端面側においても、従来技術のように、作製が困難なテーパ構造を設けることなく、安定した単一モード発振が得られる。
そして、本実施形態では、図1に示すように、上述のように構成されるシリコン導波路基板1と、上述のように構成される発光材料基板2とが貼り合わされている。
この場合、発光層12が、シリコン導波路4を伝播する光がエバネッセント結合しうる位置に設けられるようにする。
具体的には、図1,図2に示すように、発光材料基板2は、n型InP接着層17、n型InGaAsP/InP超格子(SL:Super lattice)層18、n型InPスペーサ層19を介して、シリコン導波路基板1上に貼り付けられている。
ここでは、n型InGaAsP/InP超格子層18は、nドープ1.1Q−InGaAsP/InP超格子層である。また、n型InP接着層17の膜厚は、例えば10nmである。また、n型InGaAsP/InP超格子層18の膜厚は、例えば7.5nm/7.5nm(×2周期)である。また、n型InPスペーサ層19の膜厚は、例えば110nmである。
本実施形態では、第1回折格子6及び第2回折格子7はシリコン導波路4に沿う方向の一部に形成されている。つまり、シリコン導波路4は、DFBレーザ領域10及びDBRミラー領域11の外側まで延びている。そして、発光材料基板2に形成されている発光層12が、シリコン導波路基板1に形成されている第1回折格子6及び第2回折格子7の全体を覆うように、シリコン導波路基板1と発光材料基板2とを貼り合わせる。ここでは、図1、図2、図4に示すように、光軸方向において、第1回折格子6及び第2回折格子7が形成されている領域の外側に、発光材料基板2の終端位置がくるようにしている。
また、本実施形態では、後述するように、発光材料基板2の上部にp側電極20を設け、両側方にn側電極21を設けるようにしている。このため、シリコン導波路基板1上に発光材料基板2を貼り付ける際に、シリコン導波路基板1と発光材料基板2との間に挟むn型InP接着層17、n型InGaAsP/InP超格子層18及びn型InPスペーサ層19を、発光材料基板2の両側方まで延ばしている。そして、発光材料基板2の両側方のn型InPスペーサ層19上にn側電極21を設けている。
このため、本実施形態では、シリコン導波路基板1上に、発光材料基板2からなるメサ構造が形成されていることになる。
なお、本実施形態では、シリコン導波路基板1上に発光材料基板2を貼り付ける際に、これらの間に、n型InP接着層17、n型InGaAsP/InP超格子層18及びn型InPスペーサ層19を挟むようにしているが、これに限られるものではない。シリコン導波路基板1上に半導体層を用いて発光材料基板2を貼り付ければ良い。そして、シリコン導波路基板1と発光材料基板2との間に挟まれている半導体層を、発光材料基板2の両側方まで延ばし、この発光材料基板2の両側方の半導体層上に電極を設ければ良い。この場合、半導体層は、接着層及びコンタクト層として機能することになる。
また、発光材料基板2の構成、及び、発光材料基板2をシリコン導波路基板1上に貼り付ける際に間に挟む層の構成は、上述の実施形態のものに限られるものではない。例えば図5に示すように、発光材料基板2を、p型InP基板22と、AlGaInAs系MQW層(発光層)12とを備えるものとし、この発光材料基板2をシリコン導波路基板1上に貼り付けるのにn型InP接着層(半導体層)17を用いるようにしても良い。この場合、発光材料基板2をシリコン導波路基板1上に貼り付けた状態で、シリコン導波路基板1に近い側から順に、n型InP接着層17、AlGaInAs系MQW活性層12、p型InP基板22が設けられた構成となる。なお、図5では、上述の実施形態のもの(図1参照)と同一のものには同一の符号を付している。
ところで、本半導体レーザは、図1に示すように、分布帰還型レーザ領域(DFBレーザ領域;DFBレーザ部)10と、分布ブラッグ反射ミラー領域[DBR(Distributed BraggReflector)ミラー領域(DBRミラー部)11とを備える。
ここで、DFBレーザ領域10は、位相シフト5を含む第1回折格子6と、第1回折格子6に対応する位置に設けられた光導波路4及び発光層12とを含む。DFBレーザ領域10は、発光層12に電流注入が行なわれるようになっている。
ここでは、DFBレーザ領域10は、図1、図2、図4に示すように、電流注入のための電極20,21を備え、第1回折格子6に対応する位置に設けられた発光層(活性層)12に電流注入が行なわれるようになっている。
つまり、第1回折格子6の直上の領域、即ち、第1回折格子6に対応する位置に設けられた発光層12の直上の領域に、発光層12に電流を注入するための電極20が形成されている。また、発光材料基板2の両側方に延びる半導体層(ここではn型InPスペーサ層19)上に、発光層12に電流を注入するための電極21が形成されている。これにより、シリコン導波路4を伝播する光が、電極20,21を介して電流を注入された発光層12にエバネッセント結合し、光利得が生じるようになっている。つまり、DFBレーザ領域10はアクティブ導波路領域として機能するようになっている。
具体的には、図1、図2に示すように、DFBレーザ領域10では、発光材料基板2の最上面のp型InGaAsコンタクト層15上に金属電極(ここではp側電極)20が形成されている。
また、図2に示すように、DFBレーザ領域10では、n型InPスペーサ層19の表面が発光材料基板2の両サイドにおいて露出しており、このn型InPスペーサ層19の表面に金属電極(ここではn側電極)21が形成されている。
また、DFBレーザ領域10は、電流注入を導波路コア付近のみに行なうために、電流狭窄構造を形成すべく、図2に示すように、電極20と導波路コア4Aとの間の領域を挟んで両側に高抵抗領域23が設けられている。ここでは、導波路コア4Aのリブ部分の上方領域の両サイドに位置するp型InPクラッド層14にプロトン注入を行ない、高抵抗化して高抵抗領域23を形成している。
また、本実施形態では、λ/4位相シフト5が中心に形成された第1回折格子6を有するDFBレーザ領域10を備えるため、第1回折格子6のストップバンドの中心波長にて単一波長モード発振が可能である。
DBRミラー領域11は、図1に示すように、DFBレーザ領域10の後端面側に設けられており、第1回折格子6よりも結合係数の大きい第2回折格子7と、第2回折格子7に対応する位置に設けられた光導波路4及び発光層12とを含む。
ここでは、DFBレーザ領域10の発光層12に連なるように、DBRミラー領域11にも発光層12を設けている。これにより、DFBレーザ領域10とDBRミラー領域11と境界で反射が起きないようにし、また、反射光の位相シフトが生じないようにして、安定した単一モード発振が得られるようにしている。
このように、本実施形態では、DFBレーザ領域10の後端面側に、DFBレーザ領域10の第1回折格子6よりも結合係数の大きい第2回折格子7を有するDBRミラー領域11を備える。このため、DFBレーザ領域10で発生し、DFBレーザ領域10の両端面から出力される光のうち、DBRミラー領域11の側へ出力された光は、DBRミラー領域11で反射され、DFBレーザ領域10へと戻されることになる。
このため、本実施形態では、DFBレーザ領域10の前端面、即ち、DBRミラー領域11が設けられている側とは反対側の端面のみから光が出力されることになる。
これにより、従来技術のように両端面から光が出力される場合と比較して、光出力は約2倍となり、大きな光出力を得ることができる。
つまり、例えば非特許文献2で報告されている従来技術のλ/4シフトDFBレーザからの出力は、最大でも3.5mV(20℃)、0.2mW(50℃)という小さいものである。一般に光通信においては、送信側の光出力の強度が大きい方が、伝送が容易になるので、このようにレーザからの光出力が小さく抑えられてしまうことは望ましくない。
これに対し、本実施形態では、DBRミラー領域11を設け、DBRミラー領域11が設けられている側とは反対側の端面のみから光が出力されるようにしているため、光出力を大きくすることができる。
また、DBRミラー領域11は、発光層12に電流注入が行なわれないようになっている。ここでは、DBRミラー領域11は、電流注入のための電極を備えておらず、第2回折格子7に対応する位置に設けられた発光層12に電流注入が行なわれないようになっている。つまり、DBRミラー領域11はパッシブ導波路領域として機能するようになっている。
このように、本実施形態では、DBRミラー領域11には電流注入が行なわれず、DFBレーザ領域10のみに電流注入が行なわれるようになっている。このため、電極20は、図1に示すように、DFBレーザ領域10のみに形成されており、DBRミラー領域11には形成されていない。
さらに、本実施形態では、DBRミラー領域11は、電流が注入されないように、高抵抗領域24が設けられている。ここでは、DBRミラー領域11に含まれるp型InPクラッド層14の全体にプロトン注入を行ない、高抵抗化して高抵抗領域24を形成している。
また、本実施形態では、DFBレーザ領域10の第1回折格子6とDBRミラー領域11の第2回折格子7とは一括形成されため、DFBレーザ領域10とDBRミラー領域11との境界において、回折格子に位相シフトが存在しない。このため、DBRミラー領域11で反射された光がDFBレーザ領域10へ戻ったとしても、DFBレーザ領域10において、安定した単一モード発振が得られることになる。つまり、従来技術のように、レーザの後端面側に、作製が困難なテーパ構造を設けることなく、安定した単一モード発振が得られる。
このように、本実施形態では、レーザの両端面側に、作製が困難なテーパ構造を設ける必要がないため、加工精度や軸合わせの問題がなく、反射率に歩留まりが生じないようにしながら、安定した単一モード発振が得られる。
なお、ここでは、レーザ領域は、DFBレーザ領域としているが、第1回折格子と、第1回折格子に対応する位置に設けられた光導波路及び発光層とを含むレーザ領域であれば良い。また、ミラー領域は、DBRミラー領域としているが、第2回折格子と、第2回折格子に対応する位置に設けられた光導波路及び発光層とを含むミラー領域であれば良い。
また、ここでは、DFBレーザ領域に電極を設け、DBRミラー領域に電極を設けないようにしているが、これに限られるものではない。例えば、レーザ領域及びミラー領域に電極を設け、ミラー領域は、電極と発光層との間に高抵抗領域を含むようにしても良い。これにより、DFBレーザ領域を、発光層に電流注入が行なわれるようにし、DBRミラー領域を、発光層に電流注入が行なわれないようにすることができる。
次に、本実施形態にかかるシリコン導波路基板1の製造方法について説明する。
シリコン導波路基板1は、図1〜図3に示すように、シリコン基板3と、シリコン酸化膜(BOX層)8と、シリコン層(シリコン薄膜層;SOI層)9とを備えるSOI基板を加工することによって作製する。つまり、SOI基板は、シリコン基板3上にシリコン酸化膜8を介してシリコン層9が形成されている。このシリコン層9を加工して、リブ構造の導波路コア4Aを形成するとともに、リブ構造の導波路コア4Aの側面に、位相シフト5を有する第1回折格子6と第1回折格子6の結合係数よりも大きい結合係数を有する第2回折格子7とを一括形成する。このようにして、シリコン導波路基板1を作製する。
具体的には、シリコン層9上に、例えば電子ビーム露光によって、リブ構造の導波路コア4Aを形成するための導波路パターンを形成する。
ここでは、リブ構造の導波路コア4Aの側面に第1回折格子6及び第2回折格子7を形成するため、導波路パターンの描画時に、第1回折格子6及び第2回折格子7を形成するための回折格子パターンを含む導波路パターン(描画パターン)を形成する。
また、第1回折格子6及び第2回折格子7を形成するための回折格子パターンは、導波路幅を変調させることによって形成する。
そして、この回折格子パターンを含む導波路パターンを、例えばドライエッチングによって、シリコン層9に転写する。
これにより、図1〜図3に示すように、シリコン層9に、リブ構造の導波路コア4Aが形成されると同時に、導波路コア4Aの側面に、回折格子の凹凸の大きさが異なる第1回折格子6と第2回折格子7とが形成される。つまり、結合係数の異なる第1回折格子6と第2回折格子7とが同一プロセスで一括形成される。このため、第1回折格子6と第2回折格子7との間には実質的に位相シフトが存在しない。
このようにして、シリコン層9に形成されるリブ構造の導波路コア4A(シリコンを含む材料からなる光導波路)、位相シフト5を有する第1回折格子6、及び、第2回折格子7を含むシリコン導波路基板1(第1の部分)が作製される。
次に、本実施形態にかかる半導体レーザの製造方法について説明する。
本実施形態では、図1、図2、図4に示すように、上述のようにして作製されたシリコン導波路基板1上に、発光層12(ここではIII−V族半導体層)を含む発光材料基板2(ここではIII−V族半導体基板)を貼り合わせて、半導体レーザを作製する。
ここでは、n型InP接着層17、n型InGaAsP/InP超格子層18、n型InPスペーサ層19を介して、シリコン導波路基板1と発光材料基板2とをボンディング(ウェハボンディング)する。
具体的には、まず、図示しないp型InP基板上に、p型InGaAsコンタクト層15、p型InPクラッド層14、p型AlGaInAs−SCH層13、AlGaInAs系MQW活性層(発光層)12、n型InPスペーサ層19、n型InGaAsP/InP超格子層18、n型InP接着層17を順に積層させる。つまり、シリコンを含む材料と異なる材料(ここではIII−V族半導体材料)からなる発光層12(ここではIII−V族半導体層)を含む発光材料基板2(第2の部分;ここではIII−V族半導体基板)を形成する。また、後のプロセスでシリコン導波路基板1と発光材料基板2とを貼り合わせた時に、シリコン導波路基板1と発光材料基板2との間に挟まれるn型InPスペーサ層19、n型InGaAsP/InP超格子層18及びn型InP接着層17を形成する。
次に、n型InPスペーサ層19、n型InGaAsP/InP超格子層18及びn型InP接着層17を上部に形成された発光材料基板2を、n型InP接着層17を下側にした状態で、上述のようにして作製されたシリコン導波路基板1上に位置させ、両方の基板を接着する。
そして、図示しないp型InP基板を除去した後、p型InGaAsコンタクト層15、p型InPクラッド層14、p型AlGaInAs−SCH層13、AlGaInAs系MQW活性層(発光層)12の不要な部分を、例えばエッチングによって除去する。
これにより、図1、図2に示すように、p型InGaAsコンタクト層15、p型InPクラッド層14、p型AlGaInAs−SCH層13及びAlGaInAs系MQW活性層(発光層)12を含むメサ形状の発光材料基板2が形成される。この結果、シリコン導波路基板1に形成されている第1回折格子6及び第2回折格子7の全体が、発光材料基板2に含まれる発光層12によって覆われることになる。また、図2に示すように、メサ形状の発光材料基板2の両側方に、n型InPスペーサ層19の表面が露出することになる。さらに、図4に示すように、光軸方向において、発光材料基板2の両端面が、第1回折格子6及び第2回折格子7が形成されている領域の外側に位置し、光導波路4に直交する方向に対して約5°〜約15°傾くようにしている。
次いで、n型InPスペーサ層19、n型InGaAsP/InP超格子層18及びn型InP接着層17を、例えばエッチングによって除去する。
これにより、図4に示すように、光軸方向において、n型InPスペーサ層19、n型InGaAsP/InP超格子層18及びn型InP接着層17の両端面が、第1回折格子6及び第2回折格子7が形成されている領域の外側に位置し、光導波路4に直交する方向に対して約5°〜約15°傾くようにしている。
その後、DFBレーザ領域10に電極20,21を形成する。
つまり、発光材料基板2の最上面のp型InGaAsコンタクト層15上にp側電極20を形成する。また、発光材料基板2の両側方で表面に露出しているn型InPスペーサ層19上にn側電極21を形成する。
このようにして、n型InP接着層17、n型InGaAsP/InP超格子層18、n型InPスペーサ層19を介して貼り合わされたシリコン導波路基板1と発光材料基板2とを含む半導体レーザが作製される。つまり、リブ構造の導波路コア4A(光導波路)、位相シフト5を有する第1回折格子6及び発光層12を含むDFBレーザ領域10と、リブ構造の導波路コア4A(光導波路)、第2回折格子7、発光層12を含むDBRミラー領域11とを備える半導体レーザが作製される。
なお、半導体レーザの製造方法の詳細については、例えば、Hyundai Park et al., “A Hybrid AlGaInAs-Silicon Evanescent Amplifier”, IEEE PHOTONICA TECNOLOGY LETTERS, VOL.19, NO.4, p.230, FEBRUARY 15, 2007に記載されている。
したがって、本実施形態にかかる半導体レーザによれば、反射率に歩留まりが生じないようにしながら、安定した単一モード発振を得つつ、半導体レーザからの光出力を増大させることができるという利点がある。
特に、本実施形態では、DFBレーザ領域10の片側にDBRミラー領域11が設けられているため、このようなDBRミラー領域がない従来技術のものと比較すると、2倍弱の光出力の増大が計算により見込まれる。
また、本実施形態では、発光材料基板2の終端面がシリコン導波路4に垂直な面から傾けられているため、DFBレーザ領域10の光が出射する側の終端面における反射を、終端面が垂直な場合と比較して、10dB程度小さくすることができる。
このように、少なくとも、DFBレーザ領域10の一側にDBRミラー領域11を設け、DFBレーザ領域10の他側の発光材料基板2の端面を傾けるだけで良く、加工精度に対する要求を緩和した構造を実現しながら、安定した単一モード発振が得られることになる。
なお、上述の実施形態及びその変形例では、発光層12として、III−V族材料からなる多重量子井戸層を用いた場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではない。例えば、量子ドット構造の発光層を用いても良い。この場合、優れた温度特性を有するものを実現することができる。
また、上述の実施形態及びその変形例では、半導体レーザについて説明しているが、これに限られるものではなく、例えば、上述の実施形態及びその変形例の半導体レーザと、機能素子とを、同一シリコン基板上に集積させて、集積素子を構成することもできる。
例えば、上述の実施形態及びその変形例の半導体レーザが形成されているシリコン基板3上に、シリコン系材料からなる機能素子を集積して、図6に示すような光インターコネクションを行なうシリコン基板上チップ(集積素子)30を構成することもできる。なお、図6では、上述の実施形態のもの(図1、図2参照)と同一のものには同一の符号を付している。
つまり、図6に示すように、シリコン基板3上にシリコン導波路4(導波路コア4A)を備えるシリコン導波路基板1上に、上述の実施形態及びその変形例の半導体レーザ31と、レーザ電源(ドライバ)32、モニタ用フォトディテクタ33、光分岐素子34、シリコン変調器35、変調器ドライバ回路36、電気アンプ37、フォトディテクタ38、論理回路39などの機能素子とを集積させて、光インターコネクション機能を有するチップ30を構成することもできる。
この光インターコネクション機能を有するチップ30では、本半導体レーザ31からの連続レーザ光は光分岐素子34によって分岐され、分岐されたレーザ光はシリコン変調器35によって変調され、光信号として出力されるようになっている。また、シリコン変調器35には、論理回路39から変調器ドライバ回路36を介して電気信号が入力されるようになっている。一方、チップ30に入力された光信号は、フォトディテクタ38によって電気信号に変換されるようになっている。そして、フォトディテクタ38から出力される電気信号は、電気アンプ37によって増幅された後、論理回路39に入力されるようになっている。
ここでは、このような光インターコネクション機能を有するチップ30が、他の光インターコネクション機能を有するチップ40と相互に接続され、プリント基板41上に実装されている。
また、例えば、上述の実施形態及びその変形例の半導体レーザが形成されているシリコン基板3上に、シリコン系材料からなる機能素子を集積して、図7に示すようなシリコン基板上集積トランシーバチップ(集積素子)50を構成することもできる。なお、図7では、上述の実施形態のもの(図1、図2参照)と同一のものには同一の符号を付している。
つまり、図7に示すように、シリコン基板3上にシリコン導波路4(導波路コア4A)を備えるシリコン導波路基板1上に、上述の実施形態及びその変形例の半導体レーザ51と、レーザ電源(ドライバ)52、モニタ用フォトディテクタ53、シリコン変調器54、変調器ドライバ回路(駆動回路)55、電気アンプ56、フォトディテクタ57などの機能素子とを集積させて、トランシーバチップ50を構成することもできる。
このトランシーバチップ50では、本半導体レーザ51からの連続レーザ光が、シリコン変調器54によって変調され、光信号として出力されるようになっている。また、シリコン変調器54には、変調器ドライバ回路55を介して電気信号が入力されるようになっている。一方、チップ50に入力された光信号は、フォトディテクタ57によって電気信号に変化されるようになっている。そして、フォトディテクタ57から出力される電気信号は、電気アンプ56によって増幅された後、出力されるようになっている。
また、本発明は、上述した実施形態及びその変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。

Claims (13)

  1. シリコンを含む材料からなり、光導波路と、位相シフトを有する第1回折格子と、第2回折格子とを含む第1の部分と、
    前記第1の部分と異なる材料からなる発光層を含む第2の部分と、
    前記第1回折格子と、前記第1回折格子に対応する位置に設けられた前記光導波路及び前記発光層とを含むレーザ領域と、
    前記第2回折格子と、前記第2回折格子に対応する位置に設けられた前記光導波路及び前記発光層とを含むミラー領域とを備え
    前記第1回折格子及び前記第2回折格子は、前記光導波路に沿う方向の一部に形成されており、
    前記第2の部分は、前記第1回折格子及び前記第2回折格子の全体を覆い、前記第2の部分の両端面が、前記第1回折格子及び前記第2回折格子が形成されている領域の外側に位置することを特徴とする半導体レーザ。
  2. 前記レーザ領域は、前記発光層に電流注入が行なわれるようになっており、
    前記ミラー領域は、前記発光層に電流注入が行なわれないようになっていることを特徴とする、請求項1記載の半導体レーザ。
  3. 前記第1の部分と前記第2の部分とは貼り合わされていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の半導体レーザ。
  4. 前記発光層は、前記光導波路を伝播する光がエバネッセント結合しうる位置に設けられていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体レーザ。
  5. 前記光導波路は、リブ構造の導波路コアを備え、
    前記第1回折格子及び前記第2回折格子は、前記リブ構造の導波路コアの側面に形成されていることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体レーザ。
  6. 前記第2回折格子は、前記第1回折格子の結合係数よりも大きい結合係数を有することを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体レーザ。
  7. 前記発光層の両端面は、それぞれ、前記光導波路に直交する方向に対して傾いていることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体レーザ
  8. 前記レーザ領域及び前記ミラー領域は、電極を含み、
    前記ミラー領域は、前記電極と前記発光層との間に高抵抗領域を含むことを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体レーザ。
  9. 前記第2回折格子は、前記光導波路に沿う方向の一方に前記第1回折格子に連なるように設けられており、
    前記発光層は、前記光導波路に沿う方向の他方の端面が前記光導波路に直交する方向に対して傾いていることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体レーザ。
  10. 前記光導波路は、導波路コアを備え、
    前記レーザ領域は、電極と、前記電極と前記導波路コアとの間の領域を挟んで両側に高抵抗領域とを含むことを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載の半導体レーザ。
  11. 前記第1の部分は、
    シリコン基板と、
    前記シリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜と、
    前記シリコン酸化膜上に形成され、前記光導波路を構成するリブ構造の導波路コアを含むシリコン層とを備え、
    前記第1回折格子及び前記第2回折格子が、前記リブ構造の導波路コアの側面に形成されていることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか1項に記載の半導体レーザ。
  12. 前記第1の部分と前記第2の部分とは、半導体層を間に挟んで貼り合わされており、
    前記半導体層は、前記第2の部分の両側方まで延びており、
    前記第2の部分の両側方の前記半導体層上に電極を備えることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか1項に記載の半導体レーザ。
  13. 請求項1〜12のいずれか1項に記載の半導体レーザと、
    機能素子とを備え、
    前記半導体レーザ及び前記機能素子が同一シリコン基板上に集積されていることを特徴とする集積素子。
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