JP7147979B2 - 光デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、光デバイスに関し、特に、導波路型の半導体レーザから構成された光デバイスに関する。
Ｓｉフォトニクスは、ＣＭＯＳ技術により、Ｓｉより構成される電子回路と、光デバイスとを、同一の基板上に集積する技術である。この技術では、発光する光デバイスが重要となるが、Ｓｉは間接遷移半導体であるため、発光効率が非常に小さく、Ｓｉを発光する光デバイスとして活用することは困難である。
発光する光デバイスには、一般には、直接遷移型で発光効率の高いＧａＡｓやＩｎＰなどのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体が用いられている。そこで、例えば、Ｓｉフォトニクスへ適用可能な光デバイスとして、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体をＳｉ基板へ貼り合わせ、貼り合わせたＩＩＩ－Ｖ族半導体でレーザ構造（ＩＩＩ－Ｖ ｏｎ Ｓｉレーザ）を作製する技術が研究されている（非特許文献１参照）。このような、シリコン基板とＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体との貼り合わせには、例えば、よく知られた親水化接合や表面活性化接合が用いられている。表面活性化接合や親水化接合における接合界面には、ＳｉＯ2等の絶縁膜が用いられており、接合界面の酸素結合を介して基板の貼り合わせを可能としている（非特許文献１）。
Ｓｉ基板の上に形成したＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなるレーザにおいて、Ｓｉ基板の屈折率は上部クラッド媒質の屈折率よりも高く、また活性層媒質の屈折率と比較しても同程度である。したがって、高い光閉じ込めを得るためには、ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる活性層とＳｉ基板との距離を数μｍオーダーとし、レーザの導波モードが、Ｓｉの屈折率を感じないよう設計することが必要である。
ところで、上記レーザ構造では、ＳｉＯ2の熱伝導度が小さいために、活性層における発熱が効率よくＳｉ基板に放射されないという問題が生じる。活性層の発熱の効果は、光出力の低減と変調速度の飽和として発現し、レーザ特性を劣化させる（非特許文献２）。
上述した光閉じ込めおよび放熱の課題を解決すべく、コアより低い屈折率と高い熱伝導度を有する基板の上に、レーザを集積することが提案されている。例えば、ＳｉやＩｎＰよりも熱伝導率が高く、かつ、屈折率が小さいＳｉＣを基板としたレーザ構造は、レーザ活性層の放熱特性が向上し、従来構造より多くの電流を注入できるため、高光出力と高速変調の実現が期待される。
ところで、よりエネルギーの高いレーザ光が得られるＱスイッチレーザや、長短パルスレーザが得られるモードロックレーザが注目されている。これらの光デバイスは、グラフェンを過飽和吸収体として用い、光源としてファイバレーザなどの外部光源が用いられている（非特許文献３参照）なお、グラフェンは、６Ｈ－ＳｉＣ（０００１）基板、４Ｈ－ＳｉＣ（０００１）基板、及び、３Ｃ－ＳｉＣ（１１１）基板の上にエピタキシャル成長することで形成されている。
T. Fujii et al., "Epitaxial growth of InP to bury directly bonded thin active layer on SiO2/Si substrate for fabricating distributed feedback lasers on silicon", IET Optoelectron, vol. 9, Iss. 4, pp. 151-157, 2015. W. Kobayashi et al., "50-Gb/s Direct Modulation of a 1.3-μm InGaAlAs-Based DFB Laser With a Ridge Waveguide Structure", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 19, no. 4, 1500908, 2013. Q. Wang et al., "Graphene on SiC as a Q-switcher for a 2 μm laser", Optics Letters, vol. 37, no. 3, pp. 395-397, 2012.
しかしながら、上述した過飽和吸収体を用いる光デバイスは、ファイバレーザなどの外部光源が用いられているため、小型化が容易ではないという問題がある。
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、過飽和吸収体を用いる光デバイスの小型化を目的とする。
本発明に係る光デバイスは、第１クラッド層の上に形成された、ＩｎＰ系の化合物半導体から構成された活性層を有する導波路型レーザと、導波路型レーザの出射側となる活性層の一端側に設けられた反射部と、導波路型レーザの活性層の他端側に設けられた分布ブラッグ反射部と、活性層と分布ブラッグ反射部との間に設けられた過飽和吸収体からなる吸収層と、第１クラッド層の上に形成された、導波路型レーザを覆う第２クラッド層とを備え、第１クラッド層は、ＩｎＰより高い熱伝導率を有する材料から構成されている。
上記光デバイスの一構成例において、吸収層は、活性層と分布ブラッグ反射部との間の光導波路を構成するコアの下に形成されている。
上記光デバイスの一構成例において、吸収層は、活性層と分布ブラッグ反射部との間の光導波路を構成するコアの上に形成されている。
上記光デバイスの一構成例において、第１クラッド層は、ＳｉＣから構成されている。
上記光デバイスの一構成例において、過飽和吸収体は、グラフェンである。
以上説明したように、本発明によれば、導波路型レーザの活性層と分布ブラッグ反射部との間に、過飽和吸収体からなる吸収層を配置し、これらを、ＩｎＰより高い熱伝導率を有する材料から構成した第１クラッド層の上に形成したので、過飽和吸収体を用いる光デバイスの小型化が実現できる。
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断面図である。 図１Ｃ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１Ｄ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２Ａは、図１Ｂに示した断面における導波モード分布を示す特性図である。 図２Ｂは、図１Ｃに示した断面における導波モード分布を示す特性図である。 図２Ｃは、図１Ｄに示した断面における導波モード分布を示す特性図である。 図３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断面図である。
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、図１Ｃ、図１Ｄを参照して説明する。なお、図１Ａは、導波方向に平行な平面の断面を示している。また、図１Ｂは、図１Ａのａａ’線の断面を示し、図１Ｃは、図１Ａのｂｂ’線の断面を示し、図１Ｃは、図１Ａのｃｃ’線の断面を示している。
この光デバイスは、第１クラッド層１０１と、導波路型レーザ１０２と、吸収層１０３と、第２クラッド層１０４とを備える。
第１クラッド層１０１は、ＩｎＰより高い熱伝導率を有する材料から構成されている。例えば、第１クラッド層１０１は、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＧａＮ、およびダイヤモンドのいずれかから構成することができる。これら材料は、後述する活性層１０５を形成するいかなる材料よりも屈折率が低く、熱伝導率とバンドギャップが大きい。例えば、第１クラッド層１０１は、ＳｉＣ、ダイヤモンドなどで構成された基板のリソグラフィ・エッチング等によって作製可能であるが、作製の方法は問わない。第１クラッド層１０１は、例えば、主表面の面方位を（０００１）面とした６Ｈ－ＳｉＣ、主表面の面方位を（０００１）面とした４Ｈ－ＳｉＣ、および主表面の面方位を（１１１）面とした３Ｃ－ＳｉＣから構成することができる。
導波路型レーザ１０２は、第１領域１２１に、ＩｎＰ系の化合物半導体から構成された活性層１０５を有する。また、導波路型レーザ１０２は、光（レーザ光）の出射側となる活性層１０５の一端側に設けられた反射部１０６と、活性層１０５の他端側に設けられた分布ブラッグ反射部１０７とを備える。
活性層１０５は、例えば、各が組成の異なるＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰなどからなる井戸層と障壁層とによる重量子井戸構造とされている。また、活性層１０５は、バルクのＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰなどの化合物半導体から構成することもできる。例えば、活性層１０５の幅は０．７μｍ、活性層１０５の厚さは、０．３２μｍとすることができる。なお、層構造や幅はこの限りではない。活性層１０５の厚さ０．３２μｍは、活性層１０５内を伝搬する１．３１μｍの波長の光が、活性層１０５の厚さ方向に対してシングルモードとなるおおよそ上限の値である。
また、活性層１０５は、例えば、ＩｎＰからなる半導体層１１０に埋め込まれている。活性層１０５の上側および下側の半導体層１１０は、ノンドープのＩｎＰから構成されている。また、活性層１０５の一方の側面の側の半導体層１１０は、ｐ型のＩｎＰから構成されたｐ型領域１１１とされ、活性層１０５の他方の側面の側の半導体層１１０は、ｎ型のＩｎＰから構成されたｎ型領域１１２とされている。これらのｐ－ｉ－ｎにより、活性層１０５に対する電流注入構造が構成されている。また、ｐ型領域１１１には、ｐ電極１１３が電気的に接続し、ｎ型領域１１２には、ｎ電極１１４が電気的に接続している。ｐ電極１１３は、図示しないｐ型コンタクト層を介してｐ型領域１１１に接続することができる。また、ｎ電極１１４は、図示しないｎ型コンタクト層を介してｎ型領域１１２に接続することができる。
活性層１０５には、コア１０８が連続して形成されている。第１領域１２１に続く第２領域１２２、および第２領域１２２に続く第３領域１２３にかけて、コア１０８が形成されている。コア１０８は、例えばＩｎＰから構成することができる。また、コア１０８の第３領域１２３に形成された回折格子により、分布ブラッグ反射部１０７が構成されている。活性層１０５と分布ブラッグ反射部１０７とは、第２領域１２２のコア１０８を介して光学的に接続されている。
また、活性層１０５は、例えば、各が組成の異なるＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰなどからなる井戸層と障壁層とによる重量子井戸構造とされている。また、活性層１０５は、バルクのＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰなどの化合物半導体から構成することもできる。例えば、活性層１０５の幅は０．７μｍ、活性層１０５の厚さは、０．３２μｍとすることができる。なお、層構造や幅はこの限りではない。活性層１０５の厚さ０．３２μｍは、活性層１０５内を伝搬する１．３１μｍの波長の光が、活性層１０５の厚さ方向に対してシングルモードとなるおおよそ上限の値である。
また、活性層１０５は、例えば、ＩｎＰからなる半導体層１１０に埋め込まれている。活性層１０５の上側および下側の半導体層１１０は、ノンドープのＩｎＰから構成されている。また、活性層１０５の一方の側面の側の半導体層１１０は、ｐ型のＩｎＰから構成され、活性層１０５の他方の側面の側の半導体層１１０は、ｎ型のＩｎＰから構成されている。これらのｐ－ｉ－ｎにより、活性層１０５に対する電流注入構造が構成されている。
ところで、導波路型レーザ１０２の動作波長や、活性層１０５として用いる材料を変更する場合、活性層１０５の厚さ方向にシングルモードとなるためには、動作波長をλ、活性層１０５の平均的な屈折率をｎcore、第１クラッド層１０１の屈折率をｎcladとすると、活性層１０５の厚さｔはおおよそ下記の式（１）の関係を満たせば良い。
Figure 0007147979000001
例えば、１．５５μｍ帯の波長の光を利用する場合には、活性層１０５の厚さｔは０．３６４μｍ以下となる。
吸収層１０３は、グラフェンなどの過飽和吸収体から構成されている。また、吸収層１０３は、活性層１０５と分布ブラッグ反射部１０７との間に設けられている。この例では、吸収層１０３は、活性層１０５と分布ブラッグ反射部１０７との間（第２領域１２２）の光導波路を構成するコア１０８の下に形成されている。グラフェンは、主表面の面方位を（０００１）面とした６Ｈ－ＳｉＣ、主表面の面方位を（０００１）面とした４Ｈ－ＳｉＣ、および主表面の面方位を（１１１）面とした３Ｃ－ＳｉＣの上に、エピタキシャル成長することが可能である。なお、吸収層１０３は、活性層１０５と分布ブラッグ反射部１０７との間の光導波路を構成するコア１０８の上に配置される構成とすることも可能である。
また、第２クラッド層１０４は、第１クラッド層１０１の上に形成され、導波路型レーザ１０２を覆っている。第２クラッド層１０４は、例えば、ＳｉＯ2から構成されている。
上述した実施の形態における光デバイスによれば、まず、ＳｉＣなどから構成した第１クラッド層１０１の高い放熱性により、導波路型レーザ１０２の、自己発熱による出力光の劣化を低減できるため、高い光出力が期待される。また、活性層１０５を挟むｐ型領域１１１とｎ型領域１１２とによるｐｉｎ構造で、横方向電流注入を可能にする。また、実施の形態によれば、第１領域１２１の活性層１０５からの発光が、第３領域１２３の分布ブラッグ反射部１０７により閉じ込められる第２領域１２２に吸収層１０３が配置される。吸収層１０３をグラフェンから構成すれば、実施の形態に係る光デバイスは、グラフェンの波長１～２μｍ帯における過飽和吸収特性により、Ｑスイッチやモードロック動作が期待できる。
上述した光デバイスにおいて、活性層１０５、コア１０８、半導体層１１０は、よく知られた結晶成長技術により形成可能である。また、第１クラッド層１０１は、活性層１０５を形成した基板との基板接合技術などで形成可能であるが、作製の方法についてはこれに限らない。また、実施の形態において、基板水平方向への光閉じ込めは、活性層１０５と半導体層１１０との屈折率差、および導波路利得により実現しているが、これに限るものではなく、２次元フォトニック結晶構造による光閉じ込めなど、実現の方法は問わない。
次に、実施の形態に係る光デバイスの導波モード分布について説明する。なお、以下では、第１クラッド層１０１をＳｉＣから構成したものとし、第２クラッド層１０４をＳｉＯ2から構成したものとした。また、活性層１０５は、各が組成の異なるＩｎＧａＡｌＡｓからなる井戸層と障壁層とによる重量子井戸構造とし、活性層１０５の一方の側面の側の半導体層１１０は、ｐ型のＩｎＰによるｐ型領域１１１とし、活性層１０５の他方の側面の側の半導体層１１０は、ｎ型のＩｎＰによるｎ型領域１１２とした。また、コア１０８は、ＩｎＰとした。また、活性層１０５の幅を０．７μｍ、厚さを０．３３μｍとし、コア１０８の幅を１．２μｍ、厚さを０．３３μｍとした。
上述した構成に基づいて計算された導波モード分布を図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃに示す。図２Ａは、第１領域１２１の、図１Ｂに示した断面における導波モード分布を示している。図２Ｂは、第２領域１２２の、図１Ｃに示した断面における導波モード分布を示している。図２Ｃは、第３領域１２３の、図１Ｄに示した断面における導波モード分布を示している。図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃでは、導波モード分布を等高線で示している。
高屈折率の活性層もしくはＩｎＰコアが、ＳｉＯ2と比較的屈折率の小さいＳｉＣとに挟まれているため、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃに示されているように、高い光閉じ込めが実現されている。このため、第２領域１２２において、高い光閉じ込めと体積の小さい光導波路構造により、高い光子密度となる。これは、吸収層１０３における過飽和吸収の発現に有利である。
ところで、レーザ光の出射側となる活性層１０５の一端側に設けられる反射部を、図３に示すように、回折格子による分布ブラッグ反射部２０６が構成することもできる。例えば、コア１０８と同様のコア１０８ａを活性層１０５の一端側にも形成し、コア１０８ａに回折格子を形成して分布ブラッグ反射部２０６とすることができる。
以上に説明したように、本発明によれば、導波路型レーザの活性層と分布ブラッグ反射部との間に、過飽和吸収体からなる吸収層を配置し、これらを、ＩｎＰより高い熱伝導率を有する材料から構成した第１クラッド層の上に形成したので、過飽和吸収体を用いる光デバイスの小型化が実現できる。本発明によれば、高い放熱性を有する導波路型の半導体レーザと、過飽和吸収体を含む導波路構造との集積が可能となる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
１０１…第１クラッド層、１０２…導波路型レーザ、１０３…吸収層、１０４…第２クラッド層、１０５…活性層、１０６…反射部、１０７…分布ブラッグ反射部、１０８…コア、１１０…半導体層、１１１…ｐ型領域、１１２…ｎ型領域、１１３…ｐ電極、１１４…ｎ電極、１２１…第１領域、１２２…第２領域、１２３…第３領域。

Claims (5)

  1. 第１クラッド層の上に形成された、ＩｎＰ系の化合物半導体から構成された活性層を有する導波路型レーザと、
    前記導波路型レーザの出射側となる前記活性層の一端側に設けられた反射部と、
    前記導波路型レーザの前記活性層の他端側に設けられた分布ブラッグ反射部と、
    前記活性層と前記分布ブラッグ反射部との間に設けられた過飽和吸収体からなる吸収層と、
    前記第１クラッド層の上に形成された、前記導波路型レーザを覆う第２クラッド層と
    を備え、
    前記第１クラッド層は、ＩｎＰより高い熱伝導率を有する材料から構成されている
    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、
    前記吸収層は、前記活性層と前記分布ブラッグ反射部との間の光導波路を構成するコアの下に形成されていることを特徴とする光デバイス。
  3. 請求項１記載の光デバイスにおいて、
    前記吸収層は、前記活性層と前記分布ブラッグ反射部との間の光導波路を構成するコアの上に形成されてい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クラッド層は、ＳｉＣから構成されてい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、
    前記過飽和吸収体は、グラフェンであることを特徴とする光デバイス。
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