特開 2024-53255 光半導体デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024053255

(43)【公開日】2024-04-15

(54)【発明の名称】光半導体デバイス

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/026 20060101AFI20240408BHJP

   H01S 5/12 20210101ALI20240408BHJP

【ＦＩ】

H01S5/026 618

H01S5/12

H01S5/026 616

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022159381

(22)【出願日】2022-10-03

(71)【出願人】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100153006

【弁理士】

【氏名又は名称】小池 勇三

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(74)【代理人】

【識別番号】100121669

【弁理士】

【氏名又は名称】本山 泰

(72)【発明者】

【氏名】小林 亘

(72)【発明者】

【氏名】八坂 洋

(72)【発明者】

【氏名】横田 信英

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173AB14

5F173AD12

5F173AD16

5F173AD30

5F173AH02

5F173AR36

5F173ME58

(57)【要約】

【課題】素子長を長くすることなく、変調領域からの帰還光が制御できるようにする。
【解決手段】この光半導体デバイスは、レーザ領域１３１と、レーザ領域１３１に連続して形成されたパッシブ光導波路１３２と、パッシブ光導波路１３２に連続して形成された変調領域１３３とを備える。パッシブ光導波路１３２は、基板１０１の上に形成された半導体層１０４をコアとしている。また、パッシブ光導波路１３２の上には、ヒータ１１０が形成されている。ヒータ１１０により、パッシブ光導波路１３２の屈折率を変調する変調機構が構成されている。
【選択図】 図１Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板の上に形成された第１活性層をコアとする光導波路構造を備える分布帰還型レーザからなるレーザ領域と、
基板の上に形成された半導体層をコアとして前記レーザ領域に連続して形成されたパッシブ光導波路と、
基板の上に形成された第２活性層をコアとする光導波路構造を備えて前記パッシブ光導波路に連続して形成された電界吸収型変調器からなる変調領域と、
前記変調領域の端部に設けられた反射部と、
前記パッシブ光導波路の屈折率を変調する変調機構と
を備える光半導体デバイス。

【請求項2】

請求項１記載の光半導体デバイスにおいて、
前記変調機構は、前記パッシブ光導波路の上に形成されたヒータから構成されている
ことを特徴とする光半導体デバイス。

【請求項3】

請求項１記載の光半導体デバイスにおいて、
前記変調機構は、前記パッシブ光導波路の半導体層に順バイアスを印加する電極から構成されていることを特徴とする光半導体デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光半導体デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

直接変調半導体レーザは、インターネット技術の爆発的な進展に伴って超大容量の光信号を処理することが不可欠となったデータセンター等に用いられる低コストな高速光信号発生器として、不可欠な光源装置である。直接変調半導体レーザの応答帯域は、緩和振動周波数で制限を受けるため、高速化には緩和振動周波数の増大が必要である。緩和振動周波数ｆ_rは、半導体レーザの利得定数Ａ_g、キャリア寿命時間τ_s、および光子寿命時間τ_pを用いて以下の式で表される。

【0003】

【数1】

【0004】

このため半導体レーザの応答速度向上に向けて、活性層材料の改良による利得定数の増加や、共振器長の短尺化による光子寿命時間の低減に主眼がおかれてきた。しかし、利得定数は物性定数のため飛躍的な改善は難しく、また共振器長短尺化は素子の発熱の問題で制限を受けるため、応答帯域は４０ＧＨｚ程度に留まっていた（非特許文献１）。

【0005】

緩和振動周波数による帯域制限を打破する技術として、半導体レーザに外部共振器を具備することで、外部共振器からの遅延時間を与えられた帰還光とレーザ発振光との共鳴効果（光子共鳴効果、photon-photon resonance (PPR) effect）によって、応答特性に第２の共鳴状の感度改善領域を出現させることで、帯域拡大を実現する技術が注目を集めている（非特許文献２、非特許文献３）。この技術を用いることで、１０８ＧＨｚの３ｄＢ帯域を実現した報告がある（非特許文献４）。

【0006】

これら全ての報告では、半導体材料として利得定数の大きい１．３μｍ組成の半導体材料が用いられ、利得定数が小さい１．５５μｍ組成の半導体材料では広帯域動作を実現した報告は少ない。

【0007】

１．５５μｍ組成の半導体材料でも超高速な直接変調半導体レーザの実現を可能とする技術として、図４に示すように、レーザ領域３３１と変調領域３３２とを備える光半導体デバイスが提案されている（非特許文献５）。この光半導体デバイスは、例えばｎ型の化合物半導体からなる基板３０１の上にレーザ領域３３１および変調領域３３２が形成され、レーザ領域３３１は、レーザ用の活性層３０２を備え、共振器内に形成された回折格子３０３によって単一波長で発振する。

【0008】

変調領域３３２は、光損失変調用の活性層３０４を備える。また、活性層３０２、活性層３０４の上には、ｐ型の化合物半導体からなる半導体層３０５が形成され、レーザ領域３３１、変調領域３３２の各々に、電極３０８，電極３０９が形成されている。また、変調領域３３２の端面には、反射膜３０６が形成され、変調領域３３２を外部共振器としている。

【0009】

活性層３０２への注入電流変調と同時に、外部共振器としても作用する変調領域３３２の活性層３０４への注入電流を変調し、変調領域３３２における光損失を変調している。この技術によれば、超高速な直接変調可能な半導体レーザ光源が実現できる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0010】

【非特許文献1】K. Nakahara et al., "112-Gb/s PAM-4 Uncooled (25°C to 85°C) Directly Modulation of 1.3-μm InGaAlAs-MQW DFB BH Lasers with Record High Bandwidth", 45th European Conference on Optical Coμｍunication , DOI: 10.1049/cp.2019.1025, ISBN:978-1-83953-185-9, 2019.

【非特許文献2】M. Radziunas et al., "Improving the Modulation Bandwidth in Semiconductor Lasers by Passive Feedback", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 13, no. 1, pp. 136-142, 2007.

【非特許文献3】T. Uusitalo et al., "Analysis of the photon-photon resonance influence on the direct modulation bandwidth of dual-longitudinal-mode distributed feedback lasers", Optical and Quantum Electronics volume, vol. 49, Article number: 46, 2017.

【非特許文献4】S. Yamaoka et al., "239.3-Gbit/s NET RATE PAM-4 TRANSMISSION USING DIRECTLY MODULATED MEMBRANE LASERS ON HIGH-THERMAL-CONDUCTIVITY SiC", 45th European Conference on Optical Coμｍunication, DOI: 10.1049/cp.2019.1022, ISBN:978-1-83953-185-9, 2019.

【非特許文献5】M. Kanno et al., "Measurement of Intrinsic Modulation Bandwidth of Hybrid Modulation Laser", IEEE Photonics Technology Letters, vol. 32, no. 13, pp. 839-842, 2020.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

しかしながら、上述した技術では、変調領域３３２からレーザ領域３３１に帰還される帰還光の位相に、レーザ領域３３１で発振される発振光が影響を受けることから、帰還光の制御が必要であった。また、光子共鳴効果による第２の共鳴周波数を帯域拡大にうまく反映するには、レーザ領域３３１および変調領域３３２による素子長をある程度長くする必要があり、電極の寄生容量増加に伴うＣＲ時定数による帯域制限が発生することが問題であった。

【0012】

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、素子長を長くすることなく、変調領域からの帰還光が制御できるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明に係る光半導体デバイスは、基板の上に形成された第１活性層をコアとする光導波路構造を備える分布帰還型レーザからなるレーザ領域と、基板の上に形成された半導体層をコアとしてレーザ領域に連続して形成されたパッシブ光導波路と、基板の上に形成された第２活性層をコアとする光導波路構造を備えてパッシブ光導波路に連続して形成された電界吸収型変調器からなる変調領域と、変調領域の端部に設けられた反射部と、パッシブ光導波路の屈折率を変調する変調機構とを備える。

【発明の効果】

【0014】

以上説明したように、本発明によれば、レーザ領域と変調領域との間に、屈折率を変調する変調機構を備えるパッシブ光導波路を設けたので、素子長を長くすることなく、変調領域からの帰還光が制御できる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1A】図１Ａは、本発明の実施の形態に係る光半導体デバイスの構成を示す構成図である。

【図1B】図１Ｂは、本発明の実施の形態に係る光半導体デバイスの構成を示す断面図である。

【図1C】図１Ｃは、本発明の実施の形態に係る光半導体デバイスの構成を示す平面図である。

【図2】図２は、実施の形態に係る光半導体デバイスの、Ｅ／Ｏ応答特性を測定した結果を示す特性図である。

【図3】図３は、従来の光半導体デバイスの、Ｅ／Ｏ応答特性を測定した結果を示す特性図である。

【図4】図４は、従来の光半導体デバイスの構成を示す構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施の形態に係る光半導体デバイスについて図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃを参照して説明する。この光半導体デバイスは、レーザ領域１３１と、レーザ領域１３１に連続して形成されたパッシブ光導波路１３２と、パッシブ光導波路１３２に連続して形成された変調領域１３３とを備える。なお、図１Ａは、導波方向に平行で基板１０１に垂直な面の断面を示している。また、図１Ｂは、導波方向に垂直な面の断面を示している。

【0017】

レーザ領域１３１は、基板１０１の上に形成された第１活性層１０２をコアとする光導波路構造とされ、第１発生層１０２が形成されている領域に形成された回折格子１０３を備える分布帰還型レーザである。第１活性層１０２は、バンド端波長が１．５５μｍとなるＩｎＧａＡｌＡｓからなる量子井戸層による多重量子井戸構造とすることができる。例えば、第１活性層１０２は、厚さ６ｎｍの井戸層を５層用いた多層量子井戸層とすることができる。レーザ領域１３１の端部には、反射防止膜１１１が形成されている。

【0018】

パッシブ光導波路１３２は、基板１０１の上に形成された半導体層１０４をコアとしている。半導体層１０４は、例えば、ＩｎＧａＡｌＡｓから構成されている。また、パッシブ光導波路１３２の上には、ヒータ１１０が形成されている。ヒータ１１０により、パッシブ光導波路１３２の屈折率を変調する変調機構が構成されている。

【0019】

変調領域１３３は、基板１０１の上に形成された第２活性層１０５をコアとする光導波路構造とされた電界吸収型変調器である。変調領域１３３の端部には、反射部１０７が設けられている。第２活性層１０５は、バンド端波長が１．４３μｍとなるＩｎＧａＡｌＡｓからなる量子井戸層による多重量子井戸構造とすることができる。例えば、第２活性層１０５は、厚さ６ｎｍの井戸層を５層用いた多層量子井戸層とすることができる。変調領域１３３は、多重量子井戸構造とした第２活性層１０５における量子閉じ込めシュタルク効果により、導波する光を変調する。

【0020】

また、レーザ領域１３１、パッシブ光導波路１３２、変調領域１３３の全域において、第１活性層１０２、半導体層１０４、第２活性層１０５の上に、半導体層１０６が形成されている。半導体層１０６は、例えば、ｐ型のＩｎＰから構成することができる。なお、基板１０１は、ｎ型のＩｎＰから構成することができる。基板１０１は、下部クラッド層として機能させ、半導体層１０６は、上部クラッド層として機能させることができる。また、図示していないが、基板１０１の裏面に各領域に共通して電極を形成することができる。

【0021】

また、レーザ領域１３１、パッシブ光導波路１３２、変調領域１３３は、導波方向に延在するリッジ（ストライプ）形状に形成され、側面が埋め込み絶縁層１１２により埋め込まれている（埋め込み導波路構造）。埋め込み絶縁層１１２は、例えば、誘電率の低い樹脂であるＢＣＢ（Benzocyclobutene）から構成することができる。

【0022】

また、レーザ領域１３１の半導体層１０６上には、第１電極１０８が形成され、変調領域１３３の半導体層１０６上には、第２電極１０９が形成されている。なお、ヒータ１１０は、パッシブ光導波路１３２の半導体層１０６上に形成されている。第１電極１０８によりレーザ領域１３１に電流を注入してレーザを発振させる。また、第２電極１０９により変調領域１３３に逆バイアスを印加することで、導波する光（レーザ光）を強度変調する。また、反射部１０７が形成されている変調領域１３３を外部共振器とし、この外部共振器からの遅延時間を与えられた帰還光とレーザ発振光との光子共鳴効果によって帯域を拡大させることができる。

【0023】

また、ヒータ１１０に電圧を印加して発熱させることで、パッシブ光導波路１３２の温度を制御する。ヒータ１１０へ印加する電圧を制御することで、熱光学効果によってパッシブ光導波路１３２の屈折率を制御することで、最適な帰還光位相を得ることができる。光出力は、レーザ領域１３１の反射防止膜１１１が形成されている端部より放射される。

【0024】

上述した実施の形態に係る光半導体デバイスの、Ｅ／Ｏ応答特性（周波数応答特性）を測定した結果を図２に示す。レーザ領域１３１の長さを１５０μｍ、パッシブ光導波路１３２の長さを２５０μｍ、変調領域１３３の長さを７０μｍとし、デバイスの全長を４７０μｍとした。この条件において、光子共鳴効果の周波数は、１５０ＧＨｚ程度となる。また、埋め込み絶縁層１１２をＢＣＢから構成したことにより、電極の寄生容量を０．０３ｐＦ以下に低減することができる。

【0025】

図２に示すように、高次のピークを誘起することにも成功して、約２８０ＧＨｚで３ｄＢ帯域（Ｅ／Ｏ）が実現されている。

【0026】

このような高次ピークの誘起を従来の光半導体デバイスで実現するためには、レーザ領域と変調領域の長さを、上述した長さの３倍程度とする必要がある。このように素子長を長くすると、電極における寄生容量が増加し、ＣＲ時定数が増大するため、図３に示すように、応答帯域が制限を受け、３ｄＢ帯域（Ｅ／Ｏ）が得られる周波数が、１／３程度の１００ＧＨｚほどにまで低減してしまう。また、図３に示す結果を得るためには、帰還光の位相を最適な条件にするために素子温度およびレーザ領域へのＤＣ注入電流量を制御する必要がある。これに対し、実施の形態によれば、ヒータ１１０への電圧を調整することで容易に最適動作点での動作が確認できた。

【0027】

なお、３ｄＢ帯域（Ｅ／Ｏ）が得られる周波数を２００ＧＨｚ以上とするためには、レーザ領域１３１の長さを１００～１５０μｍ、パッシブ光導波路１３２の長さを５０～２５０μｍ、変調領域１３３の長さを５０～１００μｍの範囲とし、全素子長が所望の光子共鳴効果周波数となるように設計する必要があることが確認されている。

【0028】

ところで、レーザ領域１３１に用いる回折格子１０３は、均一とすることができるが、位相シフト型回折格子を導入して、位相シフト量および位相シフト位置を制御しても同様の特性を得ることができる。また、上述では、ヒータ１１０による加熱（熱光学効果）でパッシブ光導波路１３２の屈折率を制御したが、これに限るものではない。パッシブ光導波路１３２の屈折率を変調する変調機構は、パッシブ光導波路１３２の半導体層１０４に順バイアスを印加する電極から構成することができる。この電極を用いて電流注入構成とすることで、キャリアプラズマ効果による屈折率制御を行える構造としても同様の効果を得ることができることも言うまでもない。

【0029】

以上に説明したように、本発明によれば、レーザ領域と変調領域との間に、屈折率を変調する変調機構を備えるパッシブ光導波路を設けたので、素子長を長くすることなく、変調領域からの帰還光が制御できるようになる。

【0030】

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。

【符号の説明】

【0031】

１０１…基板、１０２…第１活性層、１０３…回折格子、１０４…半導体層、１０５…第２活性層、１０６…半導体層、１０７…反射部、１０８…第１電極、１０９…第２電極、１１０…ヒータ、１１１…反射防止膜、１３１…レーザ領域、１３２…パッシブ光導波路、１３３…変調領域。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2】

【図3】

【図4】