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
【課題】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。
【解決手段】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。
【解決手段】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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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)。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
【非特許文献１】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)
【非特許文献２】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)
【非特許文献３】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）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【発明の効果】
【００１６】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。
【００１８】
（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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
（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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
（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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】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】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【符号の説明】
【００４９】
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
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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)。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
【非特許文献１】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)
【非特許文献２】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)
【非特許文献３】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）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【発明の効果】
【００１６】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。
【００１８】
（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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
（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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
（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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】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】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【符号の説明】
【００４９】
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−２２０９２２（Ｐ２００７−２２０９２２Ａ）
【公開日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３９９１７（Ｐ２００６−３９９１７）
【出願日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【出願人】（５０４１８２２５５）国立大学法人横浜国立大学 (429)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【出願人】（５０４１８２２５５）国立大学法人横浜国立大学 (429)
【Ｆターム（参考）】
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