(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のクラッド層、
前記第１のクラッド層上に形成され、前記第１のクラッド層と外周側端部が一致するリング形状の活性層、
前記活性層上に形成され、前記活性層と内周側端部及び外周側端部がそれぞれ一致するリング形状の第２のクラッド層、
前記活性層の内側であって前記第１のクラッド層上に形成される第１の電極、
前記第２のクラッド層上に形成されるリング形状の第２の電極、
前記第１のクラッド層と前記活性層との間に形成され、前記活性層と内周側端部が一致し、外周側端部が前記活性層の外周側端部の内側にあるリング形状の第１の絶縁層、
前記活性層と前記第２のクラッド層との間に形成され、前記活性層と内周側端部が一致し、外周側端部が前記活性層の外周側端部の内側にあるリング形状の第２の絶縁層、を有する光共振器と、
前記光共振器に光学的に結合する光導波路と、
を備えることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記第２の電極の外周側端部が、前記第１および第２の絶縁層の外周側端部よりも、内側か、または、前記第１および第２の絶縁層の外周側端部に一致する位置にあることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記第１および第２のクラッド層がＡｌ１−ＸＧａＸＡｓ（０≦Ｘ≦１）であって、前記第１および第２の絶縁層が前記クラッド層よりもＡｌ濃度の高いＡｌ１−ＹＧａＹＡｓ（０＜Ｙ＜１）の酸化物であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記活性層の外周側端部と、前記第１および第２の絶縁層の外周側端部との距離が０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項３記載いずれか一項記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記第１のクラッド層が円板形状であることを特徴とする請求項１ないし請求項４いずれか一項記載の半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＳＩの集積密度が高くなることに伴い、内部回路パターンの微細化が進んでいる。この微細化に伴い、配線断面積が減少することにより配線抵抗が増大し、隣接する配線との間隔が狭くなることにより配線間の容量が増大する。
【０００３】
その結果、配線抵抗と配線容量で決定される配線遅延時間が増大し、更なるＬＳＩの高速化が困難となってくる。また、ＬＳＩ内部のマルチコア化やメモリ３次元集積化が進むにつれ、コア間やコア―メモリ間での大容量伝送が必要不可欠となっており、電気による伝送速度がＬＳＩ高性能化のボトルネックとなっている。
【０００４】
このようなＬＳＩの高密度化に伴う配線遅延の問題を解決する技術として、電気信号を光信号に置き換える光配線技術が注目されている。光配線技術は、金属配線のかわりに光導波路を用いて信号伝送する方式であり、上記のような微細化に伴う配線抵抗や配線間容量の増大が発生せず、更なる動作速度の高速化が期待できる。
【０００５】
光配線技術において光源として使用する半導体レーザに関して、従来の光通信で用いられてきた素子ではサイズが幅数μｍ、長さ百μｍとＬＳＩのトランジスタや配線ピッチに比べて非常に巨大である。このため、電気配線を光配線へ置き換えることの大きな阻害要因となっている。
【０００６】
そこで、小型光源としてマイクロリング共振器を用いたマイクロリングレーザが考案されている。ＬＳＩチップ間の光伝送のためにはＬＳＩに光デバイスを集積する必要があり、小型で簡易な低消費電力な半導体レーザが求められており、マイクロリングレーザは非常に有力なデバイスである。もっとも、直接変調が可能なほどに発振モードが安定なマイクロリングレーザは実現されていない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｔｈｉｊｓ  Ｓｐｕｅｓｅｎｓ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ａｎ  ＩｎＰ−ｂａｓｅｄ  ｍｉｃｒｏｄｉｓｋ  ｌａｓｅｒ  ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｌｙ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｗｉｔｈ  ＳＯＩ”，Ｇｒｏｕｐ  ＩＶ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ（２００９），ｐｐ２０２−２０４，ＦＡ３．
【非特許文献２】Ａ．Ｋａｐｓａｌｉｓ  ｅｔ  ａｌ．，“７Ｇｂ／ｓ  Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｍｉｃｒｏｒｉｎｇ  Ｌａｓｅｒｓ，Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ／Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００８．ＯＦＣ／ＮＦＯＥ  ２００８．ＯＷＱ４．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、発振モードが安定し、直接変調に好適な半導体レーザを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施の形態の半導体レーザは、第１のクラッド層、前記第１のクラッド層上に形成され、前記第１のクラッド層と外周側端部が一致するリング形状の活性層、前記活性層上に形成され、前記活性層と内周側端部及び外周側端部がそれぞれ一致するリング形状の第２のクラッド層、前記活性層の内側であって前記第１のクラッド層上に形成される第１の電極、前記第２のクラッド層上に形成されるリング形状の第２の電極、前記第１のクラッド層と前記活性層との間に形成され、前記活性層と内周側端部が一致し、外周側端部が前記活性層の外周側端部の内側にあるリング形状の第１の絶縁層、前記活性層と前記第２のクラッド層との間に形成され、前記活性層と内周側端部が一致し、外周側端部が前記活性層の外周側端部の内側にあるリング形状の第２の絶縁層、を有する光共振器と、前記光共振器に光学的に結合する光導波路と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態の半導体レーザの模式図である。
【図２】実施の形態の半導体レーザの作用を説明する模式図である。
【図３】実施の形態の半導体レーザの光導波路の位置ずれと光結合の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しつつ実施の形態の半導体レーザについて説明する。
【００１２】
なお、本明細書中、リング形状とは、外周や内周が円形の形状に限定されることはなく、楕円形状、直線と曲線を組み合わせた形状等、リングとして閉じた形状であればすべて包含する概念である。
【００１３】
実施の形態の半導体レーザは、第１のクラッド層、第１のクラッド層上に形成されるリング形状の活性層、活性層上に形成されるリング形状の第２のクラッド層、リング形状の内側であって第１のクラッド層上に形成される第１の電極、第２のクラッド層上に形成されるリング形状の第２の電極、第１のクラッド層と活性層との間に形成され、リング形状の内壁から外壁側に向かって形成され、外壁側の端部がリング形状の外壁より内側にある第１の絶縁層、活性層と第２のクラッド層との間に形成され、リング形状の内壁から外壁側に向かって形成され、外壁側の端部がリング形状の外壁より内側にある第２の絶縁層、を有する光共振器を備える。また、上記光共振器に光学的に結合する光導波路を備える。
【００１４】
実施の形態の半導体レーザは、活性層の上下の一部を第１および第２の絶縁層によって挟み込む。この構成により、第１と第２の電極間に流れる電流の分布を、光が周回するリング形状の外壁近傍に狭窄させる。この電流狭窄構造により、レーザの発振モードを安定させることが可能になる。
【００１５】
また、第１の電極と第２の電極は、それぞれ、リング形状の内側の第１のクラッド層、リング形状の第２のクラッド層の上面で広いコンタクト面積を確保する。したがって、コンタクト抵抗の低抵抗化が実現でき、損失およびＲＣ遅延が抑制される。
【００１６】
よって、発振モードが安定し、直接変調に適した半導体レーザを提供することが可能になる。
【００１７】
図１は、実施の形態の半導体レーザの模式図である。図１（ａ）が斜視断面図、図１（ｂ）が要部の拡大断面図である。本実施の形態の半導体レーザ１００は、マイクロリング共振器を用いたマイクロリングレーザである。そして、電気信号を直接、光共振器の電極間に入力し、導波路を伝送されるレーザ光の強度を変調する直接変調型の半導体レーザである。
【００１８】
実施の形態の半導体レーザ１００は、積層された複数の半導体層で形成される光共振器１０と、この光共振器１０に光学的に結合される光導波路２０を備える。光導波路２０は、半導体基板３０上に設けられる絶縁層３２内に形成される。そして、絶縁層３２を介して光導波路２０の上部に光共振器１０が設けられる。
【００１９】
半導体基板３０は、例えばシリコンである。絶縁層３２は、例えば、シリコン酸化膜である。
【００２０】
光導波路２０は、光共振器１０で発生した光信号を伝搬する。例えば、アモルファスシリコンで形成される配線である。図１中、紙面に垂直な方向に光導波路２０は延在する。光導波路２０の幅は、例えば、０．３μｍ〜２μｍ程度、高さは、例えば、０．２μｍ〜２μｍ程度である。
【００２１】
光共振器１０を構成する半導体層は、例えば化合物半導体で形成され、例えば、ＧａＡｓ系の半導体で形成される。
【００２２】
光共振器は、下部が円板形状の第１のクラッド層１２、第１のクラッド層１２上に形成されるリング形状の活性層１４、活性層１４上に形成されるリング形状の第２のクラッド層１６を備える。
【００２３】
第１のクラッド層１２は、円板形状である。第１のクラッド層１２は、不純物濃度が高く低抵抗のコンタクト部１２ａと、不純物濃度が低く低抵抗のクラッド部１２ｂを備える。また、第２のクラッド層１６は、不純物濃度が高く低抵抗のコンタクト部１６ａと、不純物濃度が低く低抵抗のクラッド部１６ｂを備える。
【００２４】
また、第１のクラッド層１２と活性層１４との間に形成される第１の絶縁層１８を備える。第１の絶縁層１８は、リング形状の内壁から外壁側に向かって形成され、外壁側の端部がリング形状の外壁より内側にある。
【００２５】
また、活性層１４と第２のクラッド層１６との間に形成される第２の絶縁層２２を備える。第１２の絶縁層２２は、リング形状の内壁から外壁側に向かって形成され、外壁側の端部がリング形状の外壁より内側にある。
【００２６】
そして、第１の電極２４が、第１のクラッド層１２上に形成される。第１の電極２４は光共振器１０のリング形状の内側に形成される。第１の電極２４上には、例えば、図示しない絶縁層と、その絶縁層を貫通し第１の電極２４上に接続されるビア電極（図示せず）が形成される。
【００２７】
そして、第２の電極２６が、第２のクラッド層１６上に形成される。第２の電極２６はリング形状である。
【００２８】
光共振器１０の備えるリング形状は、例えば、リングの外径が５〜３０μｍ程度、内径が２〜２０μｍ程度、厚さが、０．５〜４μｍ程度である。
【００２９】
第１のクラッド層１２は、例えば、厚さ５０〜２０００ｎｍ程度のｎ型のＧａＡｓ層である。コンタクト部１２ａは、第１の電極２４との間のコンタクト抵抗を低減するために、ｎ型不純物濃度の高い低抵抗層となっている。また、クラッド部１２ｂは、活性層１４で発生する光を閉じ込める機能を備えている。
【００３０】
活性層１４は、光を発生する層であり、例えば、アンドープ多重井戸層（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）で形成される。例えば、厚さ８ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ量子井戸層と、厚さ１０ｎｍ程度のＧａＡｓ障壁層を交互に３層積層し、上下を厚さ４０ｎｍ程度のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層で挟み込んだ構造を備える。
【００３１】
第２のクラッド層１６は、例えば、厚さ５０〜２０００ｎｍ程度のｐ型のＧａＡｓ層である。コンタクト部１６ａは、第２の電極２６との間のコンタクト抵抗を低減するために、ｐ型不純物濃度の高い低抵抗層となっている。また、クラッド部１６ｂは、活性層１４で発生する光を閉じ込める機能を備えている。
【００３２】
第１の絶縁層１８は、第１の電極２４、第２の電極２６との間に流れる電流を狭窄する機能を備える。例えば、第１のクラッド層１２がＡｌ１−ＸＧａＸＡｓ（０≦Ｘ≦１）である場合、第１の絶縁層１８は、第１のクラッド層１２よりもアルミニウム（Ａｌ）濃度の高いＡｌ１−ＹＧａＹＡｓ（０＜Ｙ＜１）の酸化物である。例えば、厚さ、３０〜２００ｎｍ程度のｎ型のＡｌ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓ層の酸化物である。
【００３３】
第１の絶縁層１８は、例えば、第１のクラッド層１２と活性層１４との間に設けられ、Ａｌ濃度の低い第１のクラッド層１２や活性層１４に対し、酸化速度の速いｎ型のＡｌ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓ層を、熱酸化により選択的に酸化することで形成される。酸化されなかったＡｌ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓ層は、リング形状の外壁側に、狭窄部３６として残存する。
【００３４】
同様に、第２の絶縁層２２は、第１の電極２４、第２の電極２６との間に流れる電流を狭窄する機能を備える。例えば、第２のクラッド層１６がＡｌ１−ＸＧａＸＡｓ（０≦Ｘ≦１）である場合、第２の絶縁層２２は、第２のクラッド層１６よりもアルミニウム（Ａｌ）濃度の高いＡｌ１−ＹＧａＹＡｓ（０＜Ｙ＜１）の酸化物である。例えば、厚さ、３０〜２００ｎｍ程度のｐ型のＡｌ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓ層の酸化物である。
【００３５】
第２の絶縁層２２は、例えば、活性層１４と第２のクラッド層１６との間に設けられ、Ａｌ濃度の低い活性層１４や第２のクラッド層１６に対し、酸化速度の速いｐ型のＡｌ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓ層を、熱酸化により選択的に酸化することで形成される。酸化されなかったＡｌ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓ層は、リング形状の外壁側に、狭窄部３８として残存する。
【００３６】
第１の電極２４は、例えば、ＡｎＺｎ合金である。第１の電極はアノード電極である。また、第２の電極２６は、例えば、ＡｕＧｅ合金である。第２の電極はカソード電極である。
【００３７】
第１の電極２４と第２の電極２６間に通電されると、活性層１４にキャリアが注入される。そして、注入されたキャリアの再結合により誘導放出が生ずる。誘導放出された光は、リング外壁側（外周側）界面で全反射を繰り返し、リング形状の光共振器１０内を周回し、レーザ発振する。
【００３８】
そして、レーザ発振によって得られた光は、光共振器１０に光学的に結合される光導波路２０に信号として伝搬する。
【００３９】
図２は、実施の形態の半導体レーザの作用を説明する模式図である。第１電極２４と第２の電極２６間を流れる電流は、第１および第２の絶縁層１８、２２が存在することで、狭窄部３６、３８で狭窄される。
【００４０】
リング形状のマイクロリングレーザでは、狭窄部３６、３８を設けない場合であっても、リング形状の外壁に沿って周回する光が主たるモードである基本モードとなる。そこで、狭窄部３６、３８により、第１と第２の電極間に流れる電流（図中実線矢印）を、光が主に周回するリング形状の外壁近傍に狭窄させることで、レーザの発振モードを安定させることが可能になる。
【００４１】
仮に、狭窄部３６、３８を設けない場合、電流は活性層１４を幅広く流れ、リング形状の外壁に沿って周回する基本モード以外にも、様々な経路で周回する高次モードが生じる。このため、第１と第２の電極間に印加する電圧に対する、発光強度が不安定になりやすい。したがって、信号の強弱を、第１と第２の電極間に印加する電圧の強弱として印加して発光強度を変調する直接変調の場合には、発振モードが不安定となる問題が生ずる。
【００４２】
上述のように、実施の形態の半導体レーザ１００によれば、レーザの発振モードが安定するため、印可電圧に対する発光強度の応答も安定する。したがって、直接変調に適した半導体レーザ実現される。
【００４３】
また、実施の形態によれば、第１の電極２４と第２の電極２６は、それぞれ、リング形状の内側の第１のクラッド層１２、リング形状の第２のクラッド層１６の上面で広いコンタクト面積を確保することが可能になる。したがって、コンタクト抵抗の低抵抗化が実現でき、損失およびＲＣ遅延が抑制される。よって、この観点からも直接変調に適した半導体レーザ実現される。
【００４４】
図３は、実施の形態の半導体レーザの光導波路の位置ずれと光結合の関係を示す図である。横軸が、狭窄部３６、３８に対する光導波路２０の横方向のずれ量を示す。原点は、狭窄部３６、３８の中心位置と、光導波路２０の中心が一致する点である。正方向は、光導波路２０がリング形状の外周方向へずれる方向である。また、光導波路２０の幅Ｗを、０．５、１．０、１．５μｍと振って計算している。
【００４５】
縦軸は、光共振器１０から導波路２０への光のしみ出し量の指標となる光結合比（Ｐｏｗｅｒ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｒａｔｉｏ）である。光結合比が大きすぎると発振が生じず、小さすぎると光導波路２０を伝搬する光強度が不足する。このため、光結合比は０．０５〜０．１０程度が望ましい。
【００４６】
光共振器１０としては、外径が１６μｍ、内径が１０μｍ、半導体層の厚さが約０．８５μｍ、狭窄部の幅が０．５μｍとして計算した。また、光共振器１０と光導波路２０との間の絶縁膜３２は、シリコン酸化膜とし、厚さは０．１μｍとした。光導波路２０はアモルファスシリコンとした。
【００４７】
図３から明らかなように、実施の形態の半導体レーザ１０によれば、光導波路２０の幅と位置を適切に選択することにより、望ましい光結合比が実現される。
【００４８】
なお、図１（ｂ）の白矢印で示すように、第２の電極２６の外周側端部が、第１および第２の絶縁層１８、２２の外壁側の端部よりも、リング形状の内側か、または、第１および第２の絶縁層１８、２２の外壁側の端部と一致する位置にあることが望ましい。第２の電極２６を狭窄部３６、３８の直上に配置しないことで、第２の電極２６を構成する金属による光の吸収が抑制され、損失を低減することが可能となる。
【００４９】
また、リング形状の外壁と、第１および第２の絶縁層１８、２２の外壁側の端部との距離が０．５μｍ以下であることが望ましい。すなわち、狭窄部３６、３８の幅が０．５μｍ以下であることが望ましい。この範囲であれば、高次モードの発生を抑制することができ、基本モードを効率よく励起することが可能となり、発振モードが安定化するためである。
【００５０】
リング形状の外壁と、第１および第２の絶縁層１８、２２の外壁側の端部との距離は、例えば、ＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）観察により測定することが可能である。
【００５１】
また、活性層１４については、ＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＮＡ多重量子井戸層、ＩｎＰ基板上のＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸層、ＧａＳｂ基板上のＡｌＧａＡｓＳｂ多重量子井戸層、ＧａＮ基板上のＩｎＧａＮ多重量子井戸層などを適用することも可能である。
【００５２】
また、第１の電極２４が負極（アノード）、第２の電極２６が正極（カソード）となるＮアップ構造を例に説明したが、第１の電極２４が正極（カソード）、第２の電極２６が負極（アノード）となるＰアップ構造とすることも可能である。
【００５３】
また、実施の形態の半導体レーザは、直接変調に限らず、その他の用途で用いることも可能である。
【００５４】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、実施の形態の説明においては、半導体レーザ等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる半導体レーザ等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。
【００５５】
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての半導体レーザが、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。
【符号の説明】
【００５６】
１０      光共振器
１２      第１のクラッド層
１４      活性層
１６      第２のクラッド層
１８      第１の絶縁層
２０      光導波路
２２      第２の絶縁層
２４      第１の電極
２６      第２の電極
１００    半導体レーザ
【図１】
0005717684.tif 000002
【図３】
0005717684.tif 000003
【図２】
0005717684.tif 000004