(57)【要約】【課題】集光性に優れ且つ広いスペクトルを有する出力光を発生させることができ、且つ当該出力光を高速で変調することができる光半導体素子、及び光半導体素子の駆動方法を提供する。【解決手段】光半導体素子１は、活性層１３、第１クラッド層１１及び第２クラッド層１５を含むダブルヘテロ構造の光導波路体１０と、第２クラッド層１５上に設けられた第１電極５と、光導波方向Ａにおける第１電極５の一方の側において第２クラッド層１５上に設けられた第２電極６と、光導波方向Ａにおける第１電極５の他方の側において第２クラッド層１５上に設けられた第３電極７と、第１電極５、第２電極６及び第３電極７と対向する第４電極８と、を備える。光導波路体１０には、第１領域１０１と第２領域１０２とを電気的に分離する第１イオン注入領域１７と、第１領域１０１と第３領域１０３とを電気的に分離する第２イオン注入領域１８と、が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層、並びに、前記活性層を挟む第１クラッド層及び第２クラッド層を含むダブルヘテロ構造として構成された光導波路体と、
前記第２クラッド層上に設けられた第１電極と、
前記光導波路体の光導波方向における前記第１電極の一方の側において前記第２クラッド層上に設けられた第２電極と、
前記光導波路体の前記光導波方向における前記第１電極の他方の側において前記第２クラッド層上に設けられた第３電極と、
前記光導波路体を挟んで、前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極と対向する少なくとも１つの第４電極と、を備え、
前記光導波路体には、
前記第１電極下の第１領域と前記第２電極下の第２領域とを電気的に分離する第１分離領域と、
前記第１電極下の前記第１領域と前記第３電極下の第３領域とを電気的に分離する第２分離領域と、が設けられている、光半導体素子。
【請求項２】
前記第１分離領域及び前記第２分離領域のそれぞれは、イオン注入領域、不純物拡散領域、又は前記第２クラッド層とは伝導型が異なる半導体領域によって構成されている、請求項１に記載の光半導体素子。
【請求項３】
前記第１分離領域及び前記第２分離領域のそれぞれは、前記第２クラッド層の表面から前記第１クラッド層に至っている、請求項１又は２に記載の光半導体素子。
【請求項４】
前記第１領域は、前記第１電極と前記少なくとも１つの第４電極との間に順バイアスがかけられることにより、利得領域として機能し、
前記第２領域は、前記第２電極と前記少なくとも１つの第４電極との間に逆バイアスがかけられることにより、損失領域として機能し、
前記第３領域は、前記第３電極と前記少なくとも１つの第４電極との間に互いに大きさが異なる第１バイアス及び第２バイアスが交互にかけられることにより、変調領域として機能する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光半導体素子。
【請求項５】
前記第１バイアスは順バイアスであり、前記第２バイアスは逆バイアスである、請求項４に記載の光半導体素子。
【請求項６】
前記第１バイアス及び前記第２バイアスは、逆バイアスである、請求項４に記載の光半導体素子。
【請求項７】
前記第３領域における前記第１領域とは反対側の端面は、前記光導波方向に垂直な面である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光半導体素子。
【請求項８】
前記第３領域における前記第１領域とは反対側の端面には、低反射層が設けられている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光半導体素子。
【請求項９】
前記光導波路体が設けられた基板を更に備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光半導体素子。
【請求項１０】
前記光導波路体は、前記基板上においてリッジ構造として構成されている、請求項９に記載の光半導体素子。
【請求項１１】
前記光導波方向における前記第３領域の長さは、前記光導波方向における前記第１領域及び前記第２領域のそれぞれの長さよりも短い、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光半導体素子。
【請求項１２】
光半導体素子の駆動方法であって、
前記光半導体素子は、
活性層、並びに、前記活性層を挟む第１クラッド層及び第２クラッド層を含むダブルヘテロ構造として構成された光導波路体と、
前記第２クラッド層上に設けられた第１電極と、
前記光導波路体の光導波方向における前記第１電極の一方の側において前記第２クラッド層上に設けられた第２電極と、
前記光導波路体の前記光導波方向における前記第１電極の他方の側において前記第２クラッド層上に設けられた第３電極と、
前記光導波路体を挟んで、前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極と対向する少なくとも１つの第４電極と、を備え、
前記光導波路体には、
前記第１電極下の第１領域と前記第２電極下の第２領域とを電気的に分離する第１分離領域と、
前記第１電極下の前記第１領域と前記第３電極下の第３領域とを電気的に分離する第２分離領域と、が設けられており、
前記光半導体素子の駆動方法は、
前記第１電極と前記少なくとも１つの第４電極との間に順バイアスをかけることにより、前記第１領域を利得領域として機能させ、且つ、前記第２電極と前記少なくとも１つの第４電極との間に逆バイアスをかけることにより、前記第２領域を損失領域として機能させ、且つ、前記第３電極と前記少なくとも１つの第４電極との間に互いに大きさが異なる第１バイアス及び第２バイアスをかけることにより、前記第３領域を変調領域として機能させる工程を含む、光半導体素子の駆動方法。
【請求項１３】
前記第１バイアスは順バイアスであり、前記第２バイアスは逆バイアスである、請求項１２に記載の光半導体素子の駆動方法。
【請求項１４】
前記第１バイアス及び前記第２バイアスは、逆バイアスである、請求項１２に記載の光半導体素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体素子、及び光半導体素子の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
集光性に優れ且つ広いスペクトルを有する出力光を発生させ得る光源として、スーパールミネッセントダイオード（以下、「ＳＬＤ」という）が注目されている。ＳＬＤとして、例えば特許文献１には、ダブルヘテロ構造の光導波路体がイオン注入領域によって発光領域と光損失領域とに電気的に分離された端面発光ダイオードが記載されている。
【０００３】
一方で、出力光を高速で（例えばサブナノ秒レベルのパルス幅に）変調し得る光源が期待されている。そのような光源として、例えば特許文献２には、サブマウント上に固定されダブルヘテロ構造の光導波路体が劈開によってレーザダイオード部と光変調部とに物理的に分離された光半導体素子が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−２５９２６２号公報
【特許文献２】特開平５−１２１７２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
集光性に優れ且つ広いスペクトルを有する出力光の高速変調を実現するために、特許文献２に記載された光半導体素子において、レーザダイオード部の構成を、特許文献１に記載された端面発光ダイオードの構成に置き換えることが考えられる。しかし、単純にそのような置き換えを行っただけでは、集光性に優れ且つ広いスペクトルを有する出力光の高速変調を実現することは困難である。
【０００６】
本発明は、集光性に優れ且つ広いスペクトルを有する出力光を発生させることができ、且つ当該出力光を高速で変調することができる光半導体素子、及び光半導体素子の駆動方法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】
【０００７】
本発明の光半導体素子は、活性層、並びに、活性層を挟む第１クラッド層及び第２クラッド層を含むダブルヘテロ構造として構成された光導波路体と、第２クラッド層上に設けられた第１電極と、光導波路体の光導波方向における第１電極の一方の側において第２クラッド層上に設けられた第２電極と、光導波路体の光導波方向における第１電極の他方の側において第２クラッド層上に設けられた第３電極と、光導波路体を挟んで、第１電極、第２電極及び第３電極と対向する少なくとも１つの第４電極と、を備え、光導波路体には、第１電極下の第１領域と第２電極下の第２領域とを電気的に分離する第１分離領域と、第１電極下の第１領域と第３電極下の第３領域とを電気的に分離する第２分離領域と、が設けられている。
【０００８】
この光半導体素子では、少なくとも１つの第４電極と第１電極との間に順バイアスをかけて第１領域を利得領域として機能させ、少なくとも１つの第４電極と第２電極との間に逆バイアスをかけて第２領域を損失領域として機能させることにより、集光性に優れ且つ広いスペクトルを有する出力光を発生させることができる。更に、少なくとも１つの第４電極と第３電極との間に互いに大きさが異なる第１バイアス及び第２バイアスを交互にかけて第３領域を変調領域として機能させることにより、第３領域側に出力された出力光を高速で変調することができる。特に、第３領域側に出力された出力光は広いスペクトルを有するものの、第１領域と第３領域とが第２分離領域によって電気的に分離されており、且つ連続的な光導波路が形成されているため、スペクトルの全帯域において光学的なロスが生じるのを抑制しつつ、当該出力光を高速で変調することができる。よって、この光半導体素子によれば、集光性に優れ且つ広いスペクトルを有する出力光を発生させることができ、且つ当該出力光を高速で変調することができる。
【０００９】
本発明の光半導体素子では、第１分離領域及び第２分離領域のそれぞれは、イオン注入領域、不純物拡散領域、又は第２クラッド層とは伝導型が異なる半導体領域によって構成されていてもよい。これによれば、第１領域と第２領域との電気的な分離、及び第１領域と第３領域との電気的な分離をより好適に実現することができる。
【００１０】
本発明の光半導体素子では、第１分離領域及び第２分離領域のそれぞれは、第２クラッド層の表面から第１クラッド層に至っていてもよい。これによれば、第１領域と第２領域との電気的な分離、及び第１領域と第３領域との電気的な分離をより一層好適に実現することができる。
【００１１】
本発明の光半導体素子では、第１領域は、少なくとも１つの第４電極と第１電極との間に順バイアスがかけられることにより、利得領域として機能し、第２領域は、少なくとも１つの第４電極と第２電極との間に逆バイアスがかけられることにより、損失領域として機能し、第３領域は、少なくとも１つの第４電極と第３電極との間に互いに大きさが異なる第１バイアス及び第２バイアスが交互にかけられることにより、変調領域として機能してもよい。これによれば、上述したように、集光性に優れ且つ広いスペクトルを有する出力光を発生させることができ、且つ当該出力光を高速で変調することができる。
【００１２】
本発明の光半導体素子では、第１バイアスは順バイアスであり、第２バイアスは逆バイアスであってもよい。これによれば、少なくとも１つの第４電極と第３電極との間に順バイアス及び逆バイアスを交互にかけることにより、第３領域を変調領域として機能させることができる。
【００１３】
本発明の光半導体素子では、第１バイアス及び第２バイアスは、逆バイアスであってもよい。これによれば、少なくとも１つの第４電極と第３電極との間に互いに大きさが異なる逆バイアスを交互にかけることにより、第３領域を変調領域として機能させることができる。
【００１４】
本発明の光半導体素子では、第３領域における第１領域とは反対側の端面は、光導波方向に垂直な面であってもよい。これによれば、当該端面から出射された出力光のビームパターンが良好となるため、より集光性に優れた出力光を得ることができる。
【００１５】
本発明の光半導体素子では、第３領域における第１領域とは反対側の端面には、低反射層が設けられていてもよい。これによれば、出力光の出射面となる当該端面で出力光の一部が反射されることにより光学的なロスが生じるのを抑制することができる。
【００１６】
本発明の光半導体素子は、光導波路体が設けられた基板を更に備えてもよい。これによれば、光半導体素子のハンドリング性を容易化することができる。
【００１７】
本発明の光半導体素子では、光導波路体は、基板上においてリッジ構造として構成されていてもよい。これによれば、光導波路体の構成を単純化することができる。
【００１８】
本発明の光半導体素子では、光導波方向における第３領域の長さは、光導波方向における第１領域及び第２領域のそれぞれの長さよりも短くてもよい。これによれば、例えば、光導波方向における第３領域の長さが、光導波方向における第１領域及び第２領域のそれぞれの長さよりも長い場合に比べ、変調領域として機能する第３領域において、内在する不純物及び結晶欠陥に由来する吸収損失が小さくなるため、変調動作時の消光比が大きくなる。
【００１９】
本発明の光半導体素子の駆動方法では、光半導体素子は、活性層、並びに、活性層を挟む第１クラッド層及び第２クラッド層を含むダブルヘテロ構造として構成された光導波路体と、第２クラッド層上に設けられた第１電極と、光導波路体の光導波方向における第１電極の一方の側において第２クラッド層上に設けられた第２電極と、光導波路体の光導波方向における第１電極の他方の側において第２クラッド層上に設けられた第３電極と、光導波路体を挟んで、第１電極、第２電極及び第３電極と対向する少なくとも１つの第４電極と、を備え、光導波路体には、第１電極下の第１領域と第２電極下の第２領域とを電気的に分離する第１分離領域と、第１電極下の第１領域と第３電極下の第３領域とを電気的に分離する第２分離領域と、が設けられており、光半導体素子の駆動方法は、第１電極と少なくとも１つの第４電極との間に順バイアスをかけることにより、第１領域を利得領域として機能させ、且つ、第２電極と少なくとも１つの第４電極との間に逆バイアスをかけることにより、第２領域を損失領域として機能させ、且つ、第３電極と少なくとも１つの第４電極との間に互いに大きさが異なる第１バイアス及び第２バイアスをかけることにより、第３領域を変調領域として機能させる工程を含む。
【００２０】
この光半導体素子の駆動方法では、少なくとも１つの第４電極と第１電極との間に順バイアスをかけて第１領域を利得領域として機能させ、少なくとも１つの第４電極と第２電極との間に逆バイアスをかけて第２領域を損失領域として機能させることにより、集光性に優れ且つ広いスペクトルを有する出力光を発生させることができる。更に、少なくとも１つの第４電極と第３電極との間に互いに大きさが異なる第１バイアス及び第２バイアスをかけて第３領域を変調領域として機能させることにより、第３領域側に出力された出力光を高速で変調することができる。特に、第３領域側に出力された出力光は広いスペクトルを有するものの、第１領域と第３領域とが第２分離領域によって電気的に分離されており、且つ連続的な光導波路が形成されているため、スペクトルの全帯域において光学的なロスが生じるのを抑制しつつ、当該出力光を高速で変調することができる。よって、この光半導体素子の駆動方法によれば、集光性に優れ且つ広いスペクトルを有する出力光を発生させることができ、且つ当該出力光を高速で変調することができる。
【００２１】
本発明の光半導体素子の駆動方法では、第１バイアスは順バイアスであり、第２バイアスは逆バイアスであってもよい。これによれば、少なくとも１つの第４電極と第３電極との間に順バイアス及び逆バイアスを交互にかけることにより、第３領域を変調領域として機能させることができる。
【００２２】
本発明の光半導体素子の駆動方法では、第１バイアス及び第２バイアスは、逆バイアスであってもよい。これによれば、少なくとも１つの第４電極と第３電極との間に互いに大きさが異なる逆バイアスを交互にかけることにより、第３領域を変調領域として機能させることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、集光性に優れ且つ広いスペクトルを有する出力光を発生させることができ、且つ当該出力光を高速で変調することができる光半導体素子、及び光半導体素子の駆動方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】一実施形態の光半導体素子の斜視図である。
【図２】図１に示されるII−II線に沿っての断面図である。
【図３】図１に示される光半導体素子についてのタイミングチャートである。
【図４】他の形態の光半導体素子の平面図である。
【図５】他の形態の光半導体素子の平面図である。
【図６】他の形態の光半導体素子の平面図である。
【図７】第１変形例に係る光半導体素子におけるエネルギーバンドを示す図である。
【図８】第１変形例に係る光半導体素子におけるバイアスとバンドギャップの関係を示す図である。
【図９】第２変形例に係る光半導体素子におけるエネルギーバンドを示す図である。
【図１０】第２変形例に係る光半導体素子におけるバイアスとバンドギャップの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する部分を省略する。
【００２６】
図１及び図２に示されるように、光半導体素子１は、基板２と、光導波路体１０と、を備えている。光導波路体１０は、基板２の表面２ａにバッファ層３を介して設けられている。基板２及びバッファ層３は、それぞれ、例えばｎ−型ＧａＡｓからなる。基板２は、例えば、１．５〜６．０ｍｍ程度の長さ、３００〜１０００μｍ程度の幅、及び１００〜６００μｍ程度の厚さを有する長方形板状を呈している。以下、基板２の長さ方向をＸ軸方向、基板２の幅方向をＹ軸方向、基板２の厚さ方向をＺ軸方向という。
【００２７】
光導波路体１０は、第１クラッド層１１、第１ガイド層１２、活性層１３、第２ガイド層１４、第２クラッド層１５及びコンタクト層１６がこの順序でバッファ層３上に積層されることにより構成されている。光導波路体１０は、活性層１３、並びに、活性層１３を挟む第１クラッド層１１及び第２クラッド層１５を含むダブルヘテロ構造として構成されている。第１クラッド層１１は、例えばｎ−型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる。第１ガイド層１２は、例えばノンドープＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓからなる。活性層１３は、例えばＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸構造を有する。第２ガイド層１４は、例えばノンドープＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓからなる。第２クラッド層１５は、例えばｐ−型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる。コンタクト層１６は、例えばｐ＋型ＧａＡｓからなる。
【００２８】
光導波路体１０は、基板２上においてリッジ構造として構成されている。光導波路体１０の光導波方向Ａは、Ｘ軸方向に平行な方向である。一例として、光導波路体１０の幅は、第１クラッド層１１におけるバッファ層３側の部分を除いて、基板２及びバッファ層３の幅よりも小さくされている。リッジ構造部分において、光導波路体１０は、例えば、１．５〜６．０ｍｍ程度の長さ、２〜５０μｍ程度の幅、及び１〜２μｍ程度の厚さを有する長方形板状（層状）を呈している。なお、光導波方向Ａとは、光を閉じ込めるための筒状の領域（リッジ構造では、第１クラッド層１１、第２クラッド層１５及び空気層によって形成される領域）の中心線に沿った方向、換言すれば、当該筒状の領域によって囲まれた活性層１３が延在する方向である。
【００２９】
光半導体素子１は、第１電極５と、第２電極６と、第３電極７と、第４電極８と、を更に備えている。第１電極５、第２電極６及び第３電極７は、それぞれ、コンタクト層１６を介して第２クラッド層１５上に設けられており、それぞれ、コンタクト層１６を介して直下の第２クラッド層１５と電気的に接続されている。第４電極８は、基板２の裏面２ｂに設けられており、基板２と電気的に接続されている。第１電極５、第２電極６、第３電極７及び第４電極８は、それぞれ、例えばＡｕ系の金属からなる。
【００３０】
第１電極５、第２電極６及び第３電極７は、光導波方向Ａに沿って並んでいる。第２電極６は、光導波方向Ａにおける第１電極５の一方の側に位置している。第３電極７は、光導波方向Ａにおける第１電極５の他方の側に位置している。第４電極８は、基板２、バッファ層３及び光導波路体１０を挟んで、第１電極５、第２電極６及び第３電極７と対向している。
【００３１】
第１電極５と第２電極６との間には、Ｙ軸方向に延在する隙間Ｓ１が形成されており、コンタクト層１６は、隙間Ｓ１に沿って物理的に分離されている。第１電極５と第３電極７との間には、Ｙ軸方向に延在する隙間Ｓ２が形成されており、コンタクト層１６は、隙間Ｓ２に沿って物理的に分離されている。つまり、第１電極５、第２電極６及び第３電極７は、光導波路体１０の上面（第４電極８とは反対側の表面）の全体を覆うように形成された金属層が隙間Ｓ１及び隙間Ｓ２のそれぞれを介して分離されることにより、形成されている。換言すれば、第１電極５、第２電極６及び第３電極７は、光導波路体１０の上面のうち隙間Ｓ１及び隙間Ｓ２を除く領域の全体に渡るように、形成されている。また、コンタクト層１６は、第１電極５、第２電極６及び第３電極７のそれぞれの直下の部分ごとに、各隙間Ｓ１，Ｓ２を介して分離されている。
【００３２】
光導波路体１０には、第１イオン注入領域１７と、第２イオン注入領域１８と、が設けられている。第１イオン注入領域１７は、光導波路体１０において、第１電極５下の第１領域１０１と第２電極６下の第２領域１０２とを電気的に分離している。第２イオン注入領域１８は、光導波路体１０において、第１電極５下の第１領域１０１と第３電極７下の第３領域１０３とを電気的に分離している。
【００３３】
第１領域１０１は、Ｚ軸方向から見た場合に光導波路体１０において第１電極５と重なる領域であって、光導波路体１０のうち第４電極８と第１電極５とで挟まれた領域である。第２領域１０２は、Ｚ軸方向から見た場合に光導波路体１０において第２電極６と重なる領域であって、光導波路体１０のうち第４電極８と第２電極６とで挟まれた領域である。第３領域１０３は、Ｚ軸方向から見た場合に光導波路体１０において第３電極７と重なる領域であって、光導波路体１０のうち第４電極８と第３電極７とで挟まれた領域である。
【００３４】
第１イオン注入領域１７は、隙間Ｓ１に対応する位置（光導波方向Ａにおける位置）において、光導波方向Ａに垂直な面に沿うように、光導波路体１０に形成されている。第２イオン注入領域１８は、隙間Ｓ２に対応する位置（光導波方向Ａにおける位置）において、光導波方向Ａに垂直な面に沿うように、光導波路体１０に形成されている。第１イオン注入領域１７は、Ｚ軸方向においては、第２クラッド層１５の表面１５ａから第１クラッド層１１に至っており、Ｙ軸方向においては、光導波路体１０の両側面に至っている。同様に、第２イオン注入領域１８は、Ｚ軸方向においては、第２クラッド層１５の表面１５ａから第１クラッド層１１に至っており、Ｙ軸方向においては、光導波路体１０の両側面に至っている。
【００３５】
第１イオン注入領域１７及び第２イオン注入領域１８のそれぞれの厚さ（光導波方向Ａにおける幅）は、１０〜５０μｍ程度である。第１イオン注入領域１７及び第２イオン注入領域１８は、それぞれ、イオン注入によって、例えば、プロトン、ボロン等が光導波路体１０に添加されることにより、構成されている。
【００３６】
光導波方向Ａにおける第３領域１０３の長さは、光導波方向Ａにおける第１領域１０１及び第２領域１０２のそれぞれの長さよりも短い。光導波方向Ａにおける第１領域１０１の長さは、例えば０．５〜３．０ｍｍ程度である。光導波方向Ａにおける第２領域１０２の長さは、例えば０．８〜２．０ｍｍ程度である。光導波方向Ａにおける第３領域１０３の長さは、例えば０．２〜０．５ｍｍ程度である。
【００３７】
第３領域１０３における第１領域１０１とは反対側の端面１０３ａには、低反射層９が設けられている。端面１０３ａは、出力光Ｌの出射面であり、光導波方向Ａに垂直な面である。低反射層９は、端面１０３ａで出力光Ｌの一部が反射されて光導波路体１０内に戻るのを抑制する。低反射層９は、例えば、ＡＲコーティングと称される誘電体多層膜である。なお、図１では、低反射層９の図示が省略されている。
【００３８】
以上のように構成された光半導体素子１では、第４電極８と第１電極５との間に順バイアスがかけられる。具体的には、図３の（ａ）に示されるように、第４電極８を接地電位として第１電極５に正電圧（例えば＋１．５〜＋２Ｖ）が印加される。これにより、第１領域１０１が利得領域として機能し、当該利得領域がレーザダイオードとして光を発振させようとする。その一方で、第４電極８と第２電極６との間に逆バイアスがかけられる。具体的には、図３の（ｂ）に示されるように、第４電極８を接地電位として第２電極６に負電圧（例えば−５Ｖ）が印加される。これにより、第２領域１０２が損失領域として機能し、当該損失領域がレーザダイオードとしての光発振を止めようとする。したがって、第１領域１０１及び第２領域１０２は、ＳＬＤとして機能し、集光性に優れ且つ広いスペクトルを有する出力光Ｌを発生させる。
【００３９】
このとき、第４電極８と第３電極７との間には、順バイアス及び逆バイアスが交互にかけられる。すなわち、第４電極８と第３電極７との間には、順バイアスである第１バイアスと、逆バイアスである第２バイアスとが交互にかけられる。具体的には、図３の（ｃ）に示されるように、第４電極８を接地電位として第３電極７に正電圧（例えば、＋１Ｖ）及び負電圧（例えば−５Ｖ）がサブナノ秒レベルの周期で交互に印加される。これにより、第３領域１０３が変調領域として機能し、当該変調領域が出力光Ｌを高速で変調する。具体的には、図３の（ｄ）に示されるように、光導波方向Ａに沿って第３領域１０３の端面１０３ａから出射された出力光Ｌは、サブナノ秒レベルのパルス幅に変調される。なお、第４電極８と第１電極５との間、及び第４電極８と第２電極６との間の両方に順バイアスをかければ、第１領域１０１及び第２領域１０２の両方を利得領域として機能させて、レーザダイオードとして光を発振させることができる。
【００４０】
以上説明したように、光半導体素子１では、第４電極８と第１電極５との間に順バイアスをかけて第１領域１０１を利得領域として機能させ、第４電極８と第２電極６との間に逆バイアスをかけて第２領域１０２を損失領域として機能させることにより、集光性に優れ且つ広いスペクトルを有する出力光Ｌを発生させることができる。更に、第４電極８と第３電極７との間に順バイアス及び逆バイアスを交互にかけて第３領域１０３を変調領域として機能させることにより、第３領域１０３側に出力された出力光Ｌを高速で変調することができる。特に、第３領域１０３側に出力された出力光Ｌは広いスペクトルを有するものの、第１領域１０１と第３領域１０３とが第２イオン注入領域１８によって電気的に分離されており、且つ連続的な光導波路が形成されているため、スペクトルの全帯域において光学的なロスが生じるのを抑制しつつ、当該出力光Ｌを高速で変調することができる。よって、光半導体素子１によれば、集光性に優れ且つ広いスペクトルを有する出力光Ｌを発生させることができ、且つ当該出力光Ｌを高速で変調することができる。
【００４１】
また、光半導体素子１では、第１イオン注入領域１７及び第２イオン注入領域１８のそれぞれが、第２クラッド層１５の表面１５ａから第１クラッド層１１に至っていている。これにより、第１領域１０１と第２領域１０２との電気的な分離、及び第１領域１０１と第３領域１０３との電気的な分離をより好適に実現することができる。
【００４２】
また、光半導体素子１では、第３領域１０３の端面１０３ａが光導波方向Ａに垂直な面である。これにより、当該端面１０３ａから出射された出力光Ｌのビームパターンが良好となるため、より集光性に優れた出力光Ｌを得ることができる。
【００４３】
また、光半導体素子１では、第３領域１０３の端面１０３ａに低反射層９が設けられている。これにより、出力光Ｌの出射面となる当該端面１０３ａで出力光Ｌの一部が反射されることにより光学的なロスが生じるのを抑制することができる。
【００４４】
また、光半導体素子１では、光導波路体１０が基板２上に設けられている。これにより、光半導体素子１のハンドリング性を容易化することができる。
【００４５】
また、光半導体素子１では、光導波路体１０が基板２上においてリッジ構造として構成されている。これにより、光導波路体１０の構成を単純化することができる。
【００４６】
また、光半導体素子１では、光導波方向Ａにおける第３領域１０３の長さが、光導波方向Ａにおける第１領域１０１及び第２領域１０２のそれぞれの長さよりも短い。これにより、例えば、光導波方向Ａにおける第３領域１０３の長さが、光導波方向Ａにおける第１領域１０１及び第２領域１０２のそれぞれの長さよりも長い場合に比べ、変調領域として機能する第３領域１０３において、内在する不純物及び結晶欠陥に由来する吸収損失が小さくなるため、変調動作時の消光比が大きくなる。なお、光導波方向Ａにおける第３領域１０３の短尺化は、生産性及び量産性の面でもメリットがある。
【００４７】
また、光半導体素子１では、光導波路体１０が基板２上にモノリシックに形成されており、第１イオン注入領域１７及び第２イオン注入領域１８によって光導波路体１０が第１領域１０１、第２領域１０２及び第３領域１０３に電気的に分離されている。これにより、同一の層構造を有する第１領域１０１、第２領域１０２及び第３領域１０３を容易且つ確実に形成することができる。例えば、第１領域１０１と、第２領域１０２及び第３領域１０３とを別体で形成した場合に必要となる位置合わせ等も不要である。また、第１イオン注入領域１７及び第２イオン注入領域１８によって光導波路体１０が第１領域１０１、第２領域１０２及び第３領域１０３に電気的に分離されていることは、屈折率の不連続点での導波光の帰還に起因する共振モードの誘発を防止する上で、重要である。
【００４８】
また、第３電極７、第４電極８、及び、第３電極７と第４電極８とに挟まれた誘電体（基板２、バッファ層３及び光導波路体１０）がマイクロストリップ導波路を形成し、当該マイクロストリップ導波路の特性インピーダンスが第３電極７に印加される電圧を伝搬する信号線の特性インピーダンスと整合するように、第３電極７と第４電極８とに挟まれた誘電体の厚さが設定されてもよい。上述した実施形態のように誘電体の厚さとして基板２の厚さが支配的である場合には、基板２の厚さを調整することで、好適に上記整合を図ることができる。この場合、変調のための電圧信号が、波形の鈍りなく、第３電極７に印加されるので、高速な応答が期待される。本実施形態では、光導波路体１０がリッジ構造として構成されているため、マイクロストリップ導波路が好適に形成される。マイクロストリップ導波路の特性インピーダンスは、以下の式で算出することがき、各パラメータの選択によって信号線と同じ特性インピーダンス（例えば、５０Ω）にすることが可能である。以下の式において、Ｚ０はマイクロストリップ導波路の特性インピーダンス、εｒは誘電体の比誘電率、Ｈは誘電体の厚さ、Ｗは上部電極（第３電極７）の幅、Ｔは上部電極の厚さである。
【数１】
2018182306.tif 000003
【００４９】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限られない。例えば、上述した実施形態では、１つの第４電極８が共通電極として第１電極５、第２電極６及び第３電極７と対向していたが、複数の第４電極８が第１電極５、第２電極６及び第３電極７とそれぞれ対向していてもよい。また、上述した実施形態では、光導波路体１０がリッジ構造として構成されていたが、光導波路体１０が埋め込み構造として構成されていてもよい。その場合にも、光を閉じ込めるための筒状の領域の中心線に沿った方向、換言すれば、当該筒状の領域によって囲まれた活性層１３が延在する方向が光導波方向Ａとなる。
【００５０】
参考として、他の形態について説明する。図４に示される光半導体素子１Ａは、基板２と、第１光導波路体２０と、第２光導波路体３０と、を備えている。第１光導波路体２０及び第２光導波路体３０は、Ｘ軸方向に沿って並んだ状態で、基板２上に設けられている。第１光導波路体２０及び第２光導波路体３０のそれぞれの層構造は、上述した光半導体素子１の光導波路体１０の層構造と同一である。第１光導波路体２０及び第２光導波路体３０のそれぞれの光導波方向Ａは、Ｘ軸方向に平行である。
【００５１】
第１光導波路体２０における基板２とは反対側の表面には、電極２１が設けられている。第２光導波路体３０における基板２とは反対側の表面には、電極３１が設けられている。基板２の裏面（基板２において、第１光導波路体２０及び第２光導波路体３０が設けられた表面とは反対側の面）には、電極２１及び電極３１と対向する電極（図示省略）が設けられている。これにより、第１光導波路体２０及び第２光導波路体３０に別々にバイアスをかけることができる。
【００５２】
Ｘ軸方向における第１光導波路体２０の一端面及び他端面には、低反射層２２，２３がそれぞれ設けられている。第１光導波路体２０の一端面及び他端面は、第１光導波路体２０の光導波方向Ａに垂直な面である。Ｘ軸方向における第２光導波路体３０の一端面及び他端面には、低反射層３２，３３がそれぞれ設けられている。第２光導波路体３０の一端面及び他端面は、第２光導波路体３０の光導波方向Ａに垂直な面である。各低反射層２２，２３，３２，３３の構成は、上述した光半導体素子１の低反射層９と同一である。
【００５３】
互いに対向する低反射層２２と低反射層３３との間には、屈折率差低減層４０が隙間なく配置されている。屈折率差低減層４０は、活性層１３と同等の屈折率を有する材料（少なくとも、空気よりも活性層１３との屈折率差が小さい材料）からなる。
【００５４】
以上のように構成された光半導体素子１Ａでは、第１光導波路体２０に順バイアスがかけられる。これにより、第１光導波路体２０が利得領域として機能し、当該利得領域がレーザダイオードとして光を発振させようとする。しかし、低反射層２２，２３によって光の共振が抑制される。これにより、第１光導波路体２０及び低反射層２２，２３が、ＳＬＤとして機能し、集光性に優れ且つ広いスペクトルを有する出力光Ｌを発生させる。当該出力光Ｌは、低反射層２２、屈折率差低減層４０及び低反射層３３を介して第２光導波路体３０に導光される。このとき、第２光導波路体３０には、順バイアス及び逆バイアスが交互にかけられる。これにより、第２光導波路体３０が変調領域として機能し、当該変調領域が出力光Ｌを高速で変調する。当該出力光Ｌは、第２光導波路体３０から低反射層３２を介して出射される。
【００５５】
また、図５に示される光半導体素子１Ｂは、基板２と、第１光導波路体２０と、第２光導波路体３０と、を備えている。第１光導波路体２０及び第２光導波路体３０は、Ｘ軸方向に沿って並んだ状態で、基板２上に設けられている。第１光導波路体２０及び第２光導波路体３０のそれぞれの層構造は、上述した光半導体素子１の光導波路体１０の層構造と同一である。第１光導波路体２０の光導波方向Ａは、Ｘ軸方向に対して傾いている。第２光導波路体３０の光導波方向Ａは、Ｘ軸方向に平行である。
【００５６】
第１光導波路体２０における基板２とは反対側の表面には、電極２１が設けられている。第２光導波路体３０における基板２とは反対側の表面には、電極３１が設けられている。基板２の裏面（基板２において、第１光導波路体２０及び第２光導波路体３０が設けられた表面とは反対側の面）には、電極２１及び電極３１と対向する電極（図示省略）が設けられている。これにより、第１光導波路体２０及び第２光導波路体３０に別々にバイアスをかけることができる。
【００５７】
Ｘ軸方向における第１光導波路体２０の一端面及び他端面は、Ｘ軸方向に垂直な面であり、第１光導波路体２０の光導波方向Ａに垂直な面ではなく、Ｘ軸方向（出力光Ｌの出射方向）から見た場合に互いにずれている。Ｘ軸方向における第２光導波路体３０の一端面及び他端面は、第２光導波路体３０の光導波方向Ａに垂直な面である。Ｘ軸方向における第２光導波路体３０の一端面には、低反射層３２が設けられている。低反射層３２の構成は、上述した光半導体素子１の低反射層９と同一である。
【００５８】
互いに対向する第１光導波路体２０の一端面と第２光導波路体３０の他端面との間には、屈折率差低減層４０が隙間なく配置されている。屈折率差低減層４０は、活性層１３と同等の屈折率を有する材料（少なくとも、空気よりも活性層１３との屈折率差が小さい材料）からなる。なお、光半導体素子１Ｂでは、一体として構成された光導波路体にイオン注入領域を設けることにより、当該光導波路体を、第１光導波路体２０に対応する領域と第２光導波路体３０に対応する領域とに電気的に分離してもよい。
【００５９】
以上のように構成された光半導体素子１Ｂでは、第１光導波路体２０に順バイアスがかけられる。これにより、第１光導波路体２０が利得領域として機能し、当該利得領域がレーザダイオードとして光を発振させようとする。しかし、Ｘ軸方向における第１光導波路体２０の一端面及び他端面が、第１光導波路体２０の光導波方向Ａに垂直な面ではなく、Ｘ軸方向（出力光Ｌの出射方向）から見た場合に互いにずれているため、光の共振が抑制される。これにより、第１光導波路体２０が、ＳＬＤとして機能し、集光性に優れ且つ広いスペクトルを有する出力光Ｌを発生させる。当該出力光Ｌは、屈折率差低減層４０を介して第２光導波路体３０に導光される。このとき、第２光導波路体３０には、順バイアス及び逆バイアスが交互にかけられる。これにより、第２光導波路体３０が変調領域として機能し、当該変調領域が出力光Ｌを高速で変調する。当該出力光Ｌは、第２光導波路体３０から低反射層３２を介して出射される。
【００６０】
また、図６に示される光半導体素子１Ｃは、基板２と、第１光導波路体２０と、第２光導波路体３０と、を備えている。第１光導波路体２０及び第２光導波路体３０は、Ｘ軸方向に沿って並んだ状態で、基板２上に設けられている。第１光導波路体２０及び第２光導波路体３０のそれぞれの層構造は、上述した光半導体素子１の光導波路体１０の層構造と同一である。第１光導波路体２０の光導波方向Ａは、Ｘ軸方向に対して変化している。第２光導波路体３０の光導波方向Ａは、Ｘ軸方向に平行である。
【００６１】
第１光導波路体２０における基板２とは反対側の表面には、電極２１が設けられている。第２光導波路体３０における基板２とは反対側の表面には、電極３１が設けられている。基板２の裏面（基板２において、第１光導波路体２０及び第２光導波路体３０が設けられた表面とは反対側の面）には、電極２１及び電極３１と対向する電極（図示省略）が設けられている。これにより、第１光導波路体２０及び第２光導波路体３０に別々にバイアスをかけることができる。
【００６２】
Ｘ軸方向における第１光導波路体２０の一端面は、当該一端面の近傍部分の光導波方向Ａに垂直な面である。Ｘ軸方向における第１光導波路体２０の他端面は、当該他端面の近傍部分の光導波方向Ａに垂直な面ではない。Ｘ軸方向における第１光導波路体２０の一端面及び他端面は、Ｘ軸方向（出力光Ｌの出射方向）から見た場合に互いにずれている。Ｘ軸方向における第２光導波路体３０の一端面及び他端面は、第２光導波路体３０の光導波方向Ａに垂直な面である。Ｘ軸方向における第２光導波路体３０の一端面には、低反射層３２が設けられている。低反射層３２の構成は、上述した光半導体素子１の低反射層９と同一である。
【００６３】
互いに対向する第１光導波路体２０の一端面と第２光導波路体３０の他端面との間には、屈折率差低減層４０が隙間なく配置されている。屈折率差低減層４０は、活性層１３と同等の屈折率を有する材料（少なくとも、空気よりも活性層１３との屈折率差が小さい材料）からなる。なお、光半導体素子１Ｃでは、一体として構成された光導波路体にイオン注入領域を設けることにより、当該光導波路体を、第１光導波路体２０に対応する領域と第２光導波路体３０に対応する領域とに電気的に分離してもよい。
【００６４】
以上のように構成された光半導体素子１Ｃでは、第１光導波路体２０に順バイアスがかけられる。これにより、第１光導波路体２０が利得領域として機能し、当該利得領域がレーザダイオードとして光を発振させようとする。しかし、Ｘ軸方向における第１光導波路体２０の他端面が、当該他端面の近傍部分の光導波方向Ａに垂直な面ではなく、Ｘ軸方向における第１光導波路体２０の一端面及び他端面がＸ軸方向（出力光Ｌの出射方向）から見た場合に互いにずれているため、光の共振が抑制される。これにより、第１光導波路体２０が、ＳＬＤとして機能し、集光性に優れ且つ広いスペクトルを有する出力光Ｌを発生させる。当該出力光Ｌは、屈折率差低減層４０を介して第２光導波路体３０に導光される。このとき、第２光導波路体３０には、順バイアス及び逆バイアスが交互にかけられる。これにより、第２光導波路体３０が変調領域として機能し、当該変調領域が出力光Ｌを高速で変調する。当該出力光Ｌは、第２光導波路体３０から低反射層３２を介して出射される。
【００６５】
上記実施形態の光半導体素子１において、第１イオン注入領域１７の代わりに、不純物ドーピングによって深い準位が形成された不純物拡散領域によって第１領域１０１と第２領域１０２とが分離されてもよい。不純物拡散領域は、例えば、熱拡散又はイオン注入により、鉄、酸素、クロム等が光導波路体１０にドープされることによって形成される。或いは、上記実施形態の光半導体素子１において、第１イオン注入領域１７の代わりに、第２クラッド層１５とは伝導型が異なる半導体領域によって第１領域１０１と第２領域１０２とが分離されてもよい。例えば、上記実施形態では第２クラッド層１５がｐ型の半導体であるので、ｎ型の半導体領域によって第１領域１０１と第２領域１０２とが分離されてもよい。すなわち、第１領域１０１と第２領域１０２とを分離する第１分離領域は、イオン注入領域、不純物拡散領域、及び、第２クラッド層１５とは伝導型が異なる半導体領域のいずれであってもよい。
【００６６】
同様に、上記実施形態の光半導体素子１において、第２イオン注入領域１８の代わりに、不純物拡散領域によって第１領域１０１と第３領域１０３とが分離されてもよい。すなわち、第１領域１０１と第３領域１０３とを分離する第２分離領域は、イオン注入領域及び不純物拡散領域のいずれであってもよい。第１分離領域及び第２分離領域は、互いに異なる種類の領域によって構成されてもよい。例えば、第１分離領域及び第２分離領域の一方がイオン注入領域によって構成され、他方が不純物拡散領域によって構成されてもよい。第１分離領域及び第２分離領域の少なくとも一方がイオン注入領域以外の領域によって構成されている場合でも、上記実施形態の光半導体素子１と同様に、集光性に優れ且つ広いスペクトルを有する出力光Ｌを発生させることができ、且つ当該出力光Ｌを高速で変調することができる。更に、第１領域１０１と第２領域１０２との電気的な分離、及び第１領域１０１と第３領域１０３との電気的な分離をより好適に実現することができる。
【００６７】
上記実施形態の光半導体素子１は、次の第１変形例のように構成されてもよい。第１変形例では、光半導体素子１は、窒化物半導体によって構成されている。基板２は、例えばＧａＮ（０００１）基板からなる。バッファ層３は、例えばＳｉドープＧａＮからなる。第１クラッド層１１は、例えばＳｉドープＡｌ０．０７７Ｇａ０．９２３Ｎからなる。第１ガイド層１２は、例えばノンドープＧａＮからなる。活性層１３は、例えばＩｎＧａＮ二重量子井戸構造を有する。より詳細には、活性層１３は、例えばＩｎ０．０４３Ｇａ０．９５７Ｎ井戸層とＧａＮ障壁層とを有している。第２ガイド層１４は、例えばノンドープＧａＮからなる。第２クラッド層１５は、例えばＭｇドープＡｌ０．０７７Ｇａ０．９２３Ｎからなる。コンタクト層１６は、例えばＭｇドープＧａＮからなる。第２ガイド層１４と第２クラッド層１５との間には、例えばＭｇドープＡｌ０．２０９Ｇａ０．７９１Ｎからなるキャリアブロック層が配置されていてもよい。
【００６８】
上記実施形態の光半導体素子１が近赤外域の出力光Ｌを出力する一方、第１変形例の光半導体素子１は、紫外域及び／又は可視域の出力光Ｌを出力する。第１変形例の光半導体素子１では、第４電極８と第３電極７との間には、共に逆バイアスである第１バイアス及び第２バイアスが交互にかけられる。具体的には、第４電極８を接地電位として第３電極７に互いに電圧値が異なる２つの負電圧がサブナノ秒レベルの周期で交互に印加される。これにより、第３領域１０３が変調領域として機能し、当該変調領域が出力光Ｌを高速で変調する。以下、この点について図７及び図８を参照しつつ更に説明する。
【００６９】
第１変形例の光半導体素子１では、光導波路体１０を構成する各層は、ＧａＮ（０００１）基板からなる基板２のＧａ面（＋ｃ面）上に、結晶成長により形成されている。すなわち、光導波路体１０を構成する各層が形成される結晶面は、基板２のＧａ面である。Ｇａ面は極性面であるため、Ｇａ面上には自発分極と、歪みによるピエゾ分極とが発生する。
【００７０】
ＩｎＧａＮからなる活性層１３の格子定数は、ＧａＮの格子定数よりも大きい。このため、活性層１３は圧縮歪みを受ける。その結果、図７に示されるように、第１変形例では、＋ｃ方向側においてエネルギーバンドが下がる。第４電極８と第３電極７との間に順バイアスがかけられている場合、キャリアの注入により分極がスクリーニング（抑制）され、エネルギーバンドはフラットになる。このフラットになったエネルギーバンドのギャップが発光エネルギーに相当する。図８に示されるように、第４電極８と第３電極７との間にかけられる逆バイアスが小さい（バイアスの絶対値が小さい）若しくはゼロである区間Ｒ１においては、分極により見かけのバンドギャップが小さくなり、第３領域１０３は吸収領域（損失領域）として機能する。
【００７１】
第４電極８と第３電極７との間にかけられる逆バイアスが区間Ｒ１よりも大きい区間Ｒ２においては、エネルギーバンドがフラットになり、見かけのバンドギャップが大きくなる。これにより、第３領域１０３は透過領域（利得領域）として機能する。第４電極８と第３電極７との間にかけられる逆バイアスが区間Ｒ２よりも大きい区間Ｒ３においては、＋ｃ方向側においてエネルギーバンドが上がり、見かけのバンドギャップが小さくなる。これにより、第３領域１０３は吸収領域として機能する。
【００７２】
第１変形例では、第４電極８と第３電極７との間には、第３領域１０３が透過領域として機能する第１バイアスと、第３領域１０３が吸収領域として機能する第２バイアスとが交互にかけられる。これにより、第３領域１０３を変調領域として機能させることができる。第１バイアスは、区間Ｒ２に含まれる逆バイアスである。第２バイアスは、区間Ｒ１に含まれる逆バイアスであってもよいし、区間Ｒ３に含まれる逆バイアスであってもよい。このように、第１変形例においても、上記実施形態と同様に、第１バイアスの大きさと第２バイアスの大きさとは互いに異なる。なお、２つのバイアスの大きさが互いに異なるとは、絶対値の大きさではなく、正負を含めた大きさが異なるとの意味である。第１変形例の場合、第２領域１０２に印加される逆バイアスについても、区間Ｒ１又は区間Ｒ３に含まれる逆バイアスである。
【００７３】
このような第１変形例によっても、上記実施形態の光半導体素子１と同様に、集光性に優れ且つ広いスペクトルを有する出力光Ｌを発生させることができ、且つ当該出力光Ｌを高速で変調することができる。
【００７４】
上記実施形態の光半導体素子１は、次の第２変形例のように構成されてもよい。第２変形例の光半導体素子１では、光導波路体１０を構成する各層は、ＧａＮ（０００１）基板からなる基板２のＮ面（−ｃ面）上に形成される。その他の点は第１変形例と同様である。
【００７５】
図９に示されるように、第２変形例では、−ｃ方向側においてエネルギーバンドが上がる（換言すれば、＋ｃ方向側においてエネルギーバンドが下がる）。このため、図１０に示されるように、第４電極８と第３電極７との間に逆バイアスがかけられる区間においては、第３領域１０３は吸収領域として機能する。したがって、上記実施形態の場合と同様に、第４電極８と第３電極７との間に順バイアス及び逆バイアスを交互にかけることにより、第３領域１０３を変調領域として機能させることができる。よって、第２変形例によっても、上記実施形態の光半導体素子１と同様に、集光性に優れ且つ広いスペクトルを有する出力光Ｌを発生させることができ、且つ当該出力光Ｌを高速で変調することができる。
【００７６】
他の変形として、第１変形例において、光導波路体１０を構成する各層は、基板２の非極性面又は半極性面上に形成されてもよい。非極性面としては、例えば、ＧａＮ（０００１）基板からなる基板２の（１−１００）面が挙げられる。この場合、分極の影響を受けないため、上記実施形態の場合と同様に、第４電極８と第３電極７との間に順バイアス及び逆バイアスを交互にかけることにより、第３領域１０３を変調領域として機能させることができる。
【符号の説明】
【００７７】
１…光半導体素子、２…基板、５…第１電極、６…第２電極、７…第３電極、８…第４電極、９…低反射層、１０…光導波路体、１１…第１クラッド層、１３…活性層、１５…第２クラッド層、１５ａ…表面、１７…第１イオン注入領域（第１分離領域）、１８…第２イオン注入領域（第２分離領域）、１０１…第１領域、１０２…第２領域、１０３…第３領域、１０３ａ…端面、Ａ…光導波方向。
【図１】
2018182306.tif 000004
【図２】
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【図３】
2018182306.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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