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JP7476906B2 - 光デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、光導波路型の光デバイスに関する。
電子回路や光回路が形成されているシリコン基板との一体集積化が可能であり、小型、低消費電力なアクティブ光デバイスとして、光導波路型の光デバイスが研究開発されている（非特許文献１～３参照）。この光デバイスは、ＳｉＯ2、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、または空気などの低屈折率なクラッドで上下を挟まれたコアに、活性層が埋め込まれた構造を備えている。
この種の光導波路構造の光デバイスにおいては、活性層が埋め込まれているコアの上下については、コアや活性層を構成するＩｎＰ系材料（屈折率３．２～３．６程度）と、クラッドを構成する低屈折率材料（屈折率１～１．５程度）との間での大きな屈折率差によって、強い光閉じ込めが実現されている。一方で、横方向については、電流注入構造を構成するＩｎＰ（屈折率３．２程度）と、ＩｎＰ系混晶による活性層（屈折率３．３－３．６程度）との間での比較的小さな屈折率差によって光が閉じ込められている。活性層が埋め込まれているコアを挾んでいる左右のＩｎＰ領域は、ｐ型およびｎ型にドーピングされており、これによって活性層への横方向からの電流注入が可能となっている。
通常、活性層を有さないパッシブなＩｎＰ光導波路としては、コアの上部および左右が、同一の低屈折率材料からなるクラッド層で覆われたチャネル型の構造が用いられる。この光導波路を、上述した光デバイスを接続する場合には、両者間での導波モードの重なりが最大となるようにＩｎＰからなるコアの幅（径）が最適化される。
S. Matsuo et al., "Directly modulated buried heterostructure DFB laser on SiO2/Si substrate fabricated by regrowth of InP using bonded active layer", Optics Express, vol. 22, no. 10, pp. 12139-12147, 2014. T. Hiratani et al., "High-Efficiency Operation of Membrane Distributed-Reflector Lasers on Silicon Substrate", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 23, no. 6, 3700108, 2017. E. Kanno et al., "Twin-mirror membrane distributed-reflector lasers using 20-μm-long active region on Si substrates", Optics Express, vol. 26, no. 2, pp. 1268-1277, 2018.
ところで、上述した従来の光デバイスでは、横方向の光閉じ込めが、比較的小さな屈折率差によってもたらされているために、導波モードフィールドが横方向に広がってしまい、活性層の光閉じ込め係数を高くすることができない。光閉じ込め係数を高くすることは、例えばレーザダイオード（ＬＤ）における低閾値化、直接変調時の高速動作化、半導体光増幅器（ＳＯＡ）における利得係数の増大、フォトダイオード（ＰＤ）における吸収係数の増大など、光デバイスの小型化、低消費電力化、高性能化に重要な役割を果たす。
また、上述したアクティブ光デバイスでは、コアをＩｎＰ系の化合物半導体から構成し、横方向クラッドをＩｎＰから構成しているが、パッシブな光導波路では、コアをＩｎＰから構成し、クラッドを空気、ＳｉＯ2などの低屈折率材料から構成している。このため、両構造における相対的なコア幅の最適化を図ったとしても、両者の間にはモードフィールドの不整合が有意に残存する。活性層を備える光デバイスと、パッシブ光導波路との間での導波モード不整合は、光の放射モードへの散乱損失や意図しない光の反射を招く。このような状態は、ＬＤにおける光共振器Ｑ値の低下や、ＳＯＡにおける意図しない共振器形成による発振などの望ましくない結果をもたらすことになる。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、光導波路構造の光デバイスにおける、活性層の領域の光閉じ込めをより高くすることを目的とする。
本発明に係る光デバイスは、クラッド層と、クラッド層の上に形成された化合物半導体からなるコアと、コアの活性領域に埋め込まれた活性層と、クラッド層の上に形成され、活性領域を挟み、コア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１半導体層およびｐ型の化合物半導体からなる第２半導体層と、クラッド層の上に形成され、第１半導体層を活性領域との間で挾むように配置され、第１半導体層に接続されたｎ型の化合物半導体からなる第３半導体層と、クラッド層の上に形成され、第２半導体層を活性領域との間で挾むように配置され、第２半導体層に接続されたｐ型の化合物半導体からなる第４半導体層と、第３半導体層に接続された第１電極と、第４半導体層に接続された第２電極とを備え、第１半導体層および第２半導体層は、コアより薄く形成され、活性層は、導波方向の端部が先端に行くほど先細りの形状を有し、第１半導体層は、平面視でコアの側から第３半導体層の側に行くほど幅が狭くなる台形の形状を有し、導波方向の一端が、活性領域の中央部から離れるほど、幅が狭くなる第１テーパ領域を備え、第２半導体層は、平面視でコアの側から第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し、導波方向の一端が、活性領域の中央部から離れるほど、幅が狭くなる第２テーパ領域を備え、コアは、クラッド層の上に厚さ２５０ｎｍに形成され、第１半導体層および第２半導体層は、クラッド層の上に厚さ５０ｎｍに形成されている。
以上説明したように、本発明によれば、活性領域を挟んで形成された第１半導体層および第２半導体層を、コアより薄くし、第１半導体層および第２半導体層にテーパ領域を設けたので、光導波路構造の光デバイスにおける、活性層の領域の光閉じ込めをより高くすることができる。
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断面図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態に係る光デバイスの構成を示す平面図である。 図２Ａは、光閉じ込めを計算するために用いたシミュレーションの設定値を示す説明図である。 図２Ｂは、計算された光導波路の基底モードを示す特性図である。 図３は、活性層１０３への光閉じ込め係数を、第１半導体層１０４および第２半導体層１０５の厚さに対してプロットした特性図である。 図４Ａは、従来のコアとこの両脇の半導体層とが同じ厚さの構造に、チャネル型のＩｎＰ光導波路とを、突き合わせ結合によって接続した場合の、シミュレーション対象の接続領域の構造を示す構成図である。 図４Ｂは、従来のコアとこの両脇の半導体層とが同じ厚さの構造に、チャネル型のＩｎＰ光導波路を、突き合わせ結合によって接続した場合の接続領域を伝搬する光の分布を示す分布図である。 図４Ｃは、従来のコアとこの両脇の半導体層とが同じ厚さの構造に、チャネル型のＩｎＰ光導波路を、突き合わせ結合によって接続した場合の、パッシブ光導波路の端面から活性層に入射した基底モードの光のうち、どれだけの割合が活性層の端面の基底モードに変換されたかを表すパワー透過率を、各々の構造パラメータに対してプロットした特性図である。 図５Ａは、実施の形態における光デバイスにおいて、チャネル型のＩｎＰ光導波路と活性領域とを、突き合わせ結合によって接続した場合の、シミュレーション対象の接続領域の構造を示す構成図である。 図５Ｂは、実施の形態における光デバイスの構造において、チャネル型のＩｎＰ光導波路と活性領域とを、突き合わせ結合によって接続した場合の、接続領域を伝搬する光の分布を示す分布図である。 図５Ｃは、実施の形態における光デバイスにおいて、チャネル型のＩｎＰ光導波路と活性領域とを、突き合わせ結合によって接続した場合の、パッシブ光導波路の端面から活性層に入射した基底モードの光のうち、どれだけの割合が活性層の端面の基底モードに変換されたかを表すパワー透過率を、各々の構造パラメータに対してプロットした特性図である。 図６Ａは、実施の形態における光デバイスの構造において、チャネル型のＩｎＰ光導波路と活性領域とを、突き合わせ結合によって接続した場合の、シミュレーション対象の接続領域の構造を示す構成図である。 図６Ｂは、実施の形態における光デバイスの構造において、チャネル型のＩｎＰ光導波路と活性領域とを、突き合わせ結合によって接続した場合の、接続領域を伝搬する光の分布を示す分布図である。 図６Ｃは、実施の形態における光デバイスの構造において、チャネル型のＩｎＰ光導波路と活性領域とを、突き合わせ結合によって接続した場合の、パッシブ光導波路の端面から活性層に入射した基底モードの光のうち、どれだけの割合が活性層の端面の基底モードに変換されたかを表すパワー透過率を、各々の構造パラメータに対してプロットした特性図である。 図７は、本発明の実施の形態に係る他の光デバイスの構成を示す平面図である。 図８は、本発明の実施の形態に係る他の光デバイスの構成を示す平面図である。
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１Ａは、導波方向に垂直な面の断面を示している。
この光デバイスは、クラッド層１０１と、クラッド層１０１の上に形成されたコア１０２と、コア１０２に埋め込まれた活性層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、導波方向に垂直な方向で、活性領域１３１を挟み、コア１０２の側面に接して形成された第１半導体層１０４および第２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されている。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。コア１０２は、例えば、ＩｎＰなどのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体から構成されている。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、コア１０２が形成できる。
活性層１０３は、コア１０２の活性領域１３１に埋め込まれている。活性層１０３は、外形が、例えば直方体とされている。また、第１半導体層１０４および第２半導体層１０５は、活性領域１３１を挾んで配置されている。第１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されている。また、第２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されている。
また、この光デバイスは、クラッド層１０１の上に形成され、第１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１半導体層１０４に接続された第３半導体層１０６を備える。また、クラッド層１０１の上に形成され、第２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２半導体層１０５に接続された第４半導体層１０７を備える。第３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されている。また、第４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されている。
また、この光デバイスは、第３半導体層１０６に電気的に接続された第１電極１０８と、第４半導体層１０７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、コア１０２の上側は、空気をクラッドとしている。
上述した構成に加え、実施の形態に係る光デバイスは、まず、第１半導体層１０４および第２半導体層１０５が、コア１０２より薄く形成されている。なお、この例では、コア１０２、第１半導体層１０４、第２半導体層１０５、第３半導体層１０６、および第４半導体層１０７は、一体に形成されている。
また、実施の形態に係る光デバイスは、活性層１０３が、導波方向の端部が先端に行くほど先細りの形状を有している。この例では、活性層１０３は、導波方向の両端部が先細りの形状となっている。なお、導波方向は、図１Ｂの紙面の左右方向である。
また、実施の形態に係る光デバイスは、第１半導体層１０４が、平面視でコア１０２の側から第３半導体層１０６の側に行くほど幅が狭くなる台形の形状を有し、導波方向の一端が、活性領域１３１の中央部から離れるほど、幅が狭くなる第１テーパ領域１５１を備える。同様に、第２半導体層１０５は、平面視でコア１０２の側から第４半導体層１０７の側に行くほど幅が狭くなる台形の形状を有し、導波方向の一端が、活性領域１３１の中央部から離れるほど、幅が狭くなる第２テーパ領域１５２を備える。
また、この例では、第１半導体層１０４は、導波方向の他端が、活性領域１３１の中央部から離れるほど、幅が狭くなる第３テーパ領域１５３を備える。同様に、第２半導体層１０５は、導波方向の他端が、活性領域１３１の中央部から離れるほど、幅が狭くなる第４テーパ領域１５４を備える。この例において、第１半導体層１０４および第２半導体層１０５は、平面視の形状が、活性層１０３の側を底辺とする等脚台形である。
また、実施の形態に係る光デバイスは、コア１０２が、活性領域１３１の一端に、活性領域１３１から離れるほど平面視で幅が狭くなる第５テーパ領域１５５を備える。また、コア１０２は、活性領域１３１の他端に、活性領域１３１から離れるほど平面視で幅が狭くなる第６テーパ領域１５６を備える。この例では、導波方向に活性領域１３１を挟んで配置されるパッシブ光導波路１３２，パッシブ光導波路１３３が、第５テーパ領域１５５および第６テーパ領域１５６を介して活性層１０３（活性領域１３１）に光学的に接続されている。なお、パッシブ光導波路１３２，パッシブ光導波路１３３のコア幅は、活性領域１３１のコア幅と同一とすることもできる。
上述した構造に製造について簡単に説明すると、例えば、クラッド層１０１の上にＩｎＰからなる薄い半導体層を形成した後、この上に、活性層１０３となるＩｎＰ系の半導体層または半導体積層構造を形成する。半導体積層構造は、例えば、多重量子井戸構造である。この後、活性層１０３となるＩｎＰ系の半導体層または半導体積層構造を、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、活性層１０３を形成する。
次に、活性層１０３を形成することで、この周囲に露出したＩｎＰからなる薄い半導体層より、ＩｎＰを再成長させることで、活性層１０３を埋め込んだ厚い半導体層を形成し、各導電型の領域とするための不純物導入を実施する。次に、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により、第１半導体層１０４、第２半導体層１０５とする領域、および第３半導体層１０６、第４半導体層１０７とする領域を形成する。この工程において、パッシブ光導波路１３２，パッシブ光導波路１３３のコア１０２、第５テーパ領域１５５、第６テーパ領域１５６のコア１０２の形状を形成する。パッシブ光導波路１３２，パッシブ光導波路１３３、第５テーパ領域１５５、第６テーパ領域１５６においては、コア１０２以外の領域の、ＩｎＰ（半導体）は、すべで除去し、クラッド層１０１の上面を露出させる。
この後、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により、第１半導体層１０４、第２半導体層１０５とする領域の各々に溝を形成して薄くすることで、第１半導体層１０４、第２半導体層１０５と、これに続く第３半導体層１０６、第４半導体層１０７が形成できる。この場合、いわゆるリブ型と言われる光導波路となっている。
なお、第１半導体層１０４、第２半導体層１０５とする領域の各々に溝を形成して薄くした後、第１半導体層１０４、第２半導体層１０５とする領域、および第３半導体層１０６、第４半導体層１０７とする領域を形成することもできる。活性領域１３１において、コア１０２を挾む第１半導体層１０４および第２半導体層１０５が、コア１０２より薄くされているので、クラッド層１０１の面に平行で、導波方向に垂直な方向におけるコア１０２に対する光閉じ込めを、同じ厚さの場合に比較してより高めることができる。
この光閉じ込めの効果について、シミュレーションした結果について以下に説明する。図２Ａは、光閉じ込めを計算するために用いたシミュレーションの設定値を示す。また、図２Ｂは，計算された光導波路の基底モードを示している。図２Ｂの数字は、第１半導体層１０４、第２半導体層１０５の厚さを示している。
図２Ｂに示すように、第１半導体層１０４および第２半導体層１０５が薄くなるほど、活性領域１３１におけるコア１０２（活性層１０３）に、モードフィールドが強く閉じ込められていくことがわかる。図３は、活性層１０３への光閉じ込め係数を、第１半導体層１０４および第２半導体層１０５の厚さに対してプロットしたものである。このシミュレーション例においては、厚さ２５０ｎｍは、コア１０２と同じ厚さである。第１半導体層１０４および第２半導体層１０５を、５０ｎｍまで薄くすることで、コア１０２と同じ厚さの場合に比較して、およそ２倍の光閉じ込めが得られることがわかる。
モードフィールドの局在化は、素子抵抗低減の観点においても望ましい効果をもたらす。すなわち、光導波路型の電流注入光デバイスにおいては、光導波路のモードフィールドが、電極の部分との重なりを持つと、これに由来する大きな光損失が招かれてしまう。このために、電極は、モードフィールドがその存在を感じない地点にまで、コアから引き離すことが重要となる。この点に関し、コアとこの両脇の半導体層とが等しい厚さの従来の光デバイスにおいては、上述のようにモードフィールドが横方向に広がっているため、これに対応して電極も遠い箇所に配置する必要があった。
これに対し、実施の形態に係る光デバイスによれば、モードフィールドが横方向にも強く局在化するために、第１電極１０８，第２電極１０９をコア１０２に近づけることができる。ｐ型ＩｎＰ、ＩｎＰ系活性層、ｎ型ＩｎＰより成るアクティブ光デバイスにおいては、ｐ型ＩｎＰが特に大きな抵抗率を有し、素子抵抗はｐ型ＩｎＰ領域のドーピング濃度および形状に支配される。実施の形態によれば、ｐ型の第２半導体層１０５が、コア１０２より薄くされているため、この領域の抵抗は高くなる。一方で、第１電極１０８，第２電極１０９をコア１０２に近づけることができるので、薄くなったことによる抵抗値の上昇は、伝導パスの長さの減少によって相殺することがでる。結果として、コアと半導体層とが同じ厚さの従来技術に比較して、同程度かむしろそれよりも低い素子抵抗を実現することができる。
次に、活性領域１３１と、パッシブ光導波路１３２，パッシブ光導波路１３３との間の光学的な接続に関する計算結果について、図４Ａ，図４Ｂ，図４Ｃ，図５Ａ，図５Ｂ，図５Ｃ，図６Ａ，図６Ｂ，図６Ｃを参照して説明する。図４Ａ、図５Ａ、図６Ａは、シミュレーション対象の接続領域の構造を示す。図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂは、接続領域を伝搬する光の分布を示す。図４Ｃ、図５Ｃ、図６Ｃ、パッシブ光導波路の端面から活性層に入射した基底モードの光のうち、どれだけの割合が活性層の端面の基底モードに変換されたかを表すパワー透過率を、各々の構造パラメータに対してプロットしたものである。また、図５Ｃ、図６Ｃの中に挿入している数値は、第１半導体層１０４および第２半導体層１０５の厚さを示している。
図４Ａ，図４Ｂ，図４Ｃは、従来のコアとこの両脇の半導体層とが同じ厚さの構造に、チャネル型のＩｎＰ光導波路とを、突き合わせ結合によって接続した場合を示している。このシミュレーション例では、埋め込み活性層の幅を０．６μｍとしているが、この条件において最も高いモード変換効率が得られる各寸法は、ＩｎＰ光導波路のコア幅を、およそ１．６μｍとした場合であり、この場合のパワー透過率は９７．２％となる。これはすなわち、残りの２．８％のパワーが、反射光や放射光などとして失われてしまっていることを意味している。
一方、図５Ａ，図５Ｂ，図５Ｃ，図６Ａ，図６Ｂ，図６Ｃは、実施の形態における光デバイスであり、活性領域１３１とパッシブ光導波路１３２，パッシブ光導波路１３３とが、光学的に接続されている。なお、この例では、右端部における第１半導体層１０４および第２半導体層１０５の幅を０．６μｍとしているが、これは本セットアップにおいて、活性領域１３１の基底モードの光が、この外側の領域（第１電極１０８、第２電極１０９）を感じないのに十分な広さである。
まず、図５Ａ，図５Ｂ，図５Ｃでは、活性領域１３１とパッシブ光導波路１３２，パッシブ光導波路１３３とにおいて、コア１０２の幅を同一としている。図５Ｃは、第１半導体層１０４および第２半導体層１０５の厚さ、および第１テーパ領域１５１、第２テーパ領域１５２、第３テーパ領域１５３、第４テーパ領域１５４のテーパ長に対するパワー透過率の依存性を示している。この依存性から、第１半導体層１０４および第２半導体層１０５の薄層化、およびテーパ化が、活性領域１３１とパッシブ光導波路１３２，パッシブ光導波路１３３との光学的な接続性を、有意に向上させていることがわかる。特に、第１半導体層１０４および第２半導体層１０５が、厚さ１００ｎｍ以下の場合においては、テーパ長がわずか数百ｎｍしかなくても、９９．６％以上の非常に高いパワー透過率が得られている。これは従来の技術では得ることのできない高透過率である。
一方で、テーパ長をいくら長くしてもパワー透過率が９９．７％程度で高止まりしている傾向も同時に見て取れるが。これは、活性領域１３１とパッシブ光導波路１３２，パッシブ光導波路１３３との間において、矩形の活性層１０３が非断熱的に出現することに由来するものである。図６Ａ，図６Ｂ，図６Ｃでは、活性層１０３を、導波方向の端部が先端に行くほど先細りの形状としてテーパ化している。この結果、第１半導体層１０４および第２半導体層１０５の厚さ１００ｎｍ以下、テーパ長数百ｎｍにおいて、活性領域１３１と、パッシブ光導波路１３２，パッシブ光導波路１３３との間で、９９．９％を超える極めて高いパワー透過率が得られている。
以上のシミュレーション結果からもわかるように、本発明の実施の形態に係る光デバイスは、わずか数百ｎｍ長という非常に短いテーパ領域によって、ＩｎＰ系のパッシブ光導波路として多用されるチャネル型の光導波路によるパッシブ光導波路１３２，パッシブ光導波路１３３と、活性領域１３１とを極めて効率的に接続させることができる。
次に、本発明の実施の形態に係る他の光デバイスについて、図７を参照して説明する。例えば、実施の形態に係る光デバイスは、図７に示すように、導波方向に活性領域１３１を挟んで形成されたフォトニック結晶構造１２１から構成した反射部により共振器を構成し、レーザとして用いることができる。フォトニック結晶構造１２１は、パッシブ光導波路１３２，パッシブ光導波路１３３のコア１０２に、コア１０２を厚さ方向に貫通する貫通孔を、導波方向に複数配列したものである。なお、フォトニック結晶構造１２１の代わりに、パッシブ光導波路１３２，パッシブ光導波路１３３のコア１０２の上に回折格子を形成し、これらを反射部として共振器を構成することもできる。
上述したように共振器（反射部）を形成し、反射部で活性領域１３１を挾み、活性領域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、パッシブ光導波路１３２のフォトニック結晶構造１２１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、パッシブ光導波路１３２のコア１０２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。
実施の形態に係る光デバイスでは、活性領域１３１の活性層１０３への光閉じ込め係数が高いため、発振閾値の低下や、直接変調時の高速動作化が得られる。特に、短共振器レーザにおいては、反射部の領域に染み出す光の割合が相対的に大きくなるため、活性層１０３においてできる限り高い光閉じ込め係数を実現することが重要となる。また、実施の形態に係る光デバイスでは、活性領域１３１とミラー部（パッシブ光導波路１３２，パッシブ光導波路１３３）との間のモードフィールドのマッチングが優れているため、モード不整合に由来する放射損失が低減され、放射損失に由来する共振器Ｑ値の低下を抑制することができる。この放射損失は共振器の長さに反比例する形でスケールするため、放射損失の低減は、短共振器レーザの低閾値発振を実現する上で特に高い効果を発揮する。
次に、本発明の実施の形態に係る他の光デバイスについて、図８を参照して説明する。この光デバイスは、図１Ｂを用いて説明した光デバイスの、パッシブ光導波路１３３が無く、パッシブ光導波路１３２が接続している構成である。この構成では、活性領域１３１の一端側にパッシブ光導波路１３２が接続し、活性領域１３１の他端は、終端されている。この構成において、活性層１０３への印加電圧をゼロバイアスもしくは逆バイアスとし、受光させたい光信号を、活性領域１３１を導波させて活性領域１３１に入力することで、フォトダイオードとして動作させることができる。
実施の形態に係る光デバイスでは、活性領域１３１における光閉じ込め係数が高いため、より短い活性層長によって効率的に光信号を受光することが可能となり、光デバイスのコンパクト化および、活性層長を短くすることに伴うキャパシタンスの低減による高速動作化を発揮する。また、パッシブ光導波路１３２と活性領域１３１との間の放射損失が低減されているため、より高効率に信号を受光することが可能となる。
また、実施の形態に係る光デバイスは、半導体光増幅器として用いることもできる。活性層１０３に電流を注入して反転分布を起こした上で、例えばパッシブ光導波路１３２から活性領域１３１に、増幅させたい光信号を入力する。これにより、活性層１０３からの誘導放出によって増幅された光信号が、パッシブ光導波路１３３の側に出力される。この光増幅器の特徴として、活性領域１３１における活性層１０３への光閉じ込め係数が高いため、より短い活性層長によって効率的に光信号を増幅することが可能となり、光デバイスのコンパクト化および低消費電力化に効果を発揮する。また、半導体光増幅器では、異なる構造同士の界面などにおける意図しない反射による発振動作がしばしば問題となるが、実施の形態によれば、パッシブ光導波路１３２，パッシブ光導波路１３３と活性領域１３１との間の優れたモードマッチングにより、上述したような望ましくない発振動作を効果的に抑制することができる。
以上に説明したように、本発明によれば、活性領域を挟んで形成された第１半導体層および第２半導体層を、コアより薄くし、第１半導体層および第２半導体層にテーパ領域を設けたので、光導波路構造の光デバイスにおける、活性層の領域の光閉じ込めをより高くすることができる。本発明によれば、従来よりも強い光閉じ込めが得られる。また、光が横方向に強く閉じ込められることで、電極を活性層に接近させることが可能となり、素子抵抗が低減される。さらに、活性領域（活性層）のモードフィールドをパッシブ光導波路とのモードフィールドに近づけているため、短いテーパ構造によって両者の間を断熱性良く接続することができる。
活性層への強い光閉じ込めは、半導体レーザにおける低閾値化、高速変調動作化、半導体光増幅器におけるコンパクト化、低消費電力化、フォトダイオードにおけるコンパクト化、高速動作化をもたらす。素子抵抗の低減は、電流注入時のジュール熱発生を抑制し、半導体レーザや半導体光増幅器における高注入動作を可能とする。活性領域とパッシブ光導波路領域との間の高効率なモード変換は、半導体レーザ（特に、共振器が短いもの）における低閾値化、半導体光増幅器における意図しない発振動作の抑制、フォトダイオードにおける量子効率の上昇をもたらす。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
１０１…クラッド層、１０２…コア、１０３…活性層、１０４…第１半導体層、１０５…第２半導体層、１０６…第３半導体層、１０７…第４半導体層、１０８…第１電極、１０９…第２電極、１３１…活性領域、１３２…パッシブ光導波路、１３３…パッシブ光導波路、１５１…第１テーパ領域、１５２…第２テーパ領域、１５３…第３テーパ領域、１５４…第４テーパ領域、１５５…第５テーパ領域、１５６…第６テーパ領域。

Claims (7)

  1. クラッド層と、
    前記クラッド層の上に形成された化合物半導体からなるコアと、
    前記コアの活性領域に埋め込まれた活性層と、
    前記クラッド層の上に形成され、前記活性領域を挟み、前記コア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１半導体層およびｐ型の化合物半導体からなる第２半導体層と、
    前記クラッド層の上に形成され、前記第１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１半導体層に接続されたｎ型の化合物半導体からなる第３半導体層と、
    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ｐ型の化合物半導体からなる第４半導体層と、
    前記第３半導体層に接続された第１電極と、
    前記第４半導体層に接続された第２電極と
    を備え、
    前記第１半導体層および前記第２半導体層は、前記コアより薄く形成され、
    前記活性層は、導波方向の端部が先端に行くほど先細りの形状を有し、
    前記第１半導体層は、平面視で前記コアの側から前記第３半導体層の側に行くほど幅が狭くなる台形の形状を有し、導波方向の一端が、前記活性領域の中央部から離れるほど、幅が狭くなる第１テーパ領域を備え、
    前記第２半導体層は、平面視で前記コアの側から前記第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し、導波方向の一端が、前記活性領域の中央部から離れるほど、幅が狭くなる第２テーパ領域を備え、
    前記コアは、前記クラッド層の上に厚さ２５０ｎｍに形成され、
    前記第１半導体層および前記第２半導体層は、前記クラッド層の上に厚さ５０ｎｍに形成されている
    ことを特徴とする光デバイス。
  2. 請求項１記載の光デバイスにおいて、
    前記第１半導体層は、導波方向の他端が、前記活性領域の中央部から離れるほど、幅が狭くなる第３テーパ領域を備え、
    前記第２半導体層は、導波方向の他端が、前記活性領域の中央部から離れるほど、幅が狭くなる第４テーパ領域を備える
    ことを特徴とする光デバイス。
  3. 請求項１または２記載の光デバイスにおいて、
    前記コアは、前記活性領域の一端に、前記活性領域から離れるほど平面視で幅が狭くなる第５テーパ領域を備えることを特徴とする光デバイス。
  4. 請求項３記載の光デバイスにおいて、
    前記コアは、前記活性領域の他端に、前記活性領域から離れるほど平面視で幅が狭くなる第６テーパ領域を備えることを特徴とする光デバイス。
  5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の光デバイスにおいて、
    導波方向に前記活性領域を挟んで形成された共振器をさらに備えることを特徴とする光デバイス。
  6. 請求項５記載の光デバイスにおいて、
    前記共振器は、前記コア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ことを特徴とする光デバイス。
  7. 請求項５記載の光デバイスにおいて、
    前記共振器は、前記コアの上に形成された回折格子から構成されていることを特徴とする光デバイス。
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