光半导体元件的制作方法
【专利摘要】本发明具有：环式激光器，其具有设有光增益元件的环形谐振器，该光增益元件通过被注入电流来产生光增益；波导，其与环式激光器光学耦合；反射镜，其设在波导的一端部上，使从所述环式激光器输出后在所述波导中传播的光的行进方向发生反转。
【专利说明】光半导体元件
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有使用了环形谐振器(ring resonator)的发光元件的光半导体元件。
【背景技术】
[0002]使用了环形谐振器的半导体激光器(semiconductor laser)使用芯片端面作为谐振器，因而容易应用于光集成电路(optical integrated circuit),在此基础上,还因谐振波长间隔宽而具有能够容易实现单波长光源的优点。特别地，近年来，因与电路相集成的处理变得容易而硅片上的光集成电路变得重要，其中尤其是环式激光器(ring laser)成为了光源的有力候选。
[0003]现有技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:日本特开2008-197058号公报
[0006]非专利文献
[0007]非专利文献1:Hsu_Hao Chang et al., "Integrated hybrid silicontriplexer"，Optics Express, Vol.18，N0.23，pp.23891-23899，8November2010
[0008]非专利文献 2:Alphan Sennaroglu et al.，"Unidirectional operation ofrectangular dielectric single-mode ring waveguide lasers"，Journal of LightwaveTechnology, Vol.9，N0.9，pp.1094-1098，Septemberl991
【发明内容】
[0009]发明要解决的问题
[0010]然而，使用了环形谐振器的激光器一般能够以顺时针(Clockwise:Cff)及逆时针(Counter Clockwise:CCW)的两个模式进行振荡。因此,在不具备模式选择性的功能的环式激光器中，以CW模式及CCW模式的两个模式引发振荡。此时，从不同的端口输出CW模式光和CCW模式光，因而每一个端口的功率减半。为了增加输出功率，可考虑具有模式选择性的功能，但该情况下元件尺寸变大，耗电量也增加。
[0011]用于解决问题的手段
[0012]本发明涉及具有使用了环形谐振器的发光元件的光半导体元件，其目的在于，提供一种能够以不增大元件尺寸及耗电量的方式提高输出功率的光半导体元件。
[0013]根据实施方式的一个技术方案，提供一种光半导体兀件，该光半导体兀件具有:环式激光器，其具有设有光增益介质层的环形谐振器，该光增益介质层通过被注入电流来产生光增益；波导，其与所述环式激光器光学耦合；反射镜，其设在所述波导的一端部上。
[0014]发明效果
[0015]根据所公开的光半导体元件，使得通过环式激光器进行振荡的CW模式光和CCW模式光建设性地进行干涉，与输出一个模式的情况相比，能够大幅增加输出功率。另外，不需具备用于选择模式的特别功能，能够抑制元件尺寸及耗电量的增大。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是示出了第一实施方式的光半导体元件的结构的俯视图。
[0017]图2是示出了第一实施方式的光半导体元件的结构的简略剖视图。
[0018]图3是说明第一实施方式的光半导体元件的动作的图。
[0019]图4是示出了第一实施方式的变形例的光半导体元件的结构的俯视图(其一)。
[0020]图5是示出了第一实施方式的变形例的光半导体元件的结构的俯视图(其二)。
[0021]图6是示出了第一实施方式的变形例的光半导体元件的结构的俯视图(其三)。
[0022]图7是示出了第一实施方式的变形例的光半导体元件的结构的俯视图(其四)。
[0023]图8是示出了第一实施方式的变形例的光半导体元件的结构的俯视图(其五)。
[0024]图9是示出了第一实施方式的变形例的光半导体元件的结构的俯视图(其六)。
[0025]图10是示出了第一实施方式的变形例的光半导体元件的结构的俯视图(其七)。
[0026]图11是示出了第二实施方式的光半导体元件的结构的俯视图。
[0027]图12是示出了第二实施方式的光半导体元件的发射光谱的一个例子的曲线图。
[0028]图13是示出了第二实施方式的变形例的光半导体元件的结构的俯视图。
[0029]图14是示出了第一参考例的光半导体元件的结构的俯视图。
[0030]图15是示出了第二参考例的光半导体元件的结构的俯视图。
[0031]图16是示出了第三参考例的光半导体元件的结构的俯视图。
[0032]图17是示出了第四参考例的光半导体元件的结构的俯视图。
[0033]图18是说明第四参考例的光半导体元件的动作的图。
【具体实施方式】
[0034][第一实施方式]
[0035]使用图1至图10，说明第一实施方式的光半导体元件。
[0036]图1是示出了本实施方式的光半导体元件的结构的俯视图。图2是示出了本实施方式的光半导体元件的结构的简略剖视图。图3是说明本实施方式的光半导体元件的动作的图。图4至图10是示出了本实施方式的变形例的光半导体元件的结构的俯视图。
[0037]首先，使用图1及图2，说明本实施方式的光半导体元件的结构。图2是图1的A-A'线首I]视图。
[0038]如图1所示，本实施方式的光半导体元件具有:由环形谐振器形成的环式激光器20 ;与环式激光器20光学稱合的直线波导40 ;设在直线波导40的一端部上的反射镜50。环式激光器20和直线波导40通过2X2的光稱合器(optical coupler) 42相f禹合。
[0039]如图2所示，在图1中示出的光波导结构例如能够使用SOI (Silicon OnInsulator:绝缘体上硅薄膜)基板形成。SOI基板具有:硅基板10 ;作为形成在硅基板10上的嵌入绝缘层的硅氧化膜12 ;形成在硅氧化膜12上的硅层14。在使用了 SOI基板的光波导结构中，利用硅形成芯片，利用硅氧化膜形成包层(clad)。
[0040]环式激光器20具有:通过在娃层14上形成图案(patterning)来形成的环形波导(ring waveguide) 22 ;形成在环形波导22上的光增益介质层30。光增益介质是指具有放大光的功能的物质。例如，能够应用半导体光放大器的活性层结构作为光增益介质层30。
[0041]如图2所示，例如能够例举在P型InGaAsP层24和N型InGaAsP层28之间夹MQW(Multiple Quantum Well:多重量子阱)层26的结构体，作为光增益介质层30的一个例子。在该情况下，在P型InGaAsP层24及N型InGaAsP层28上设有用于向光增益介质层30施加电压来注入电流的一对电极32、34。
[0042]就光增益介质层30而言，例如，可在InP基板上外延生长之后从InP基板上剥离，通过分子间作用力的物理结合或聚合物的化学结合等来粘贴在环形波导上，加工成所希望的形状，由此形成光增益介质层30。
[0043]直线波导40及反射镜50例如能够通过在SOI基板的硅层14上形成图案来形成。
[0044]反射镜50例如是如图1所示的分布式布拉格反射镜(distribution Braggreflector)。使用不同折射率的硅和硅氧化膜形成周期性结构，并将这些硅及硅氧化膜内的光学长度例如分别设计为λ/4，由此成为反射波长λ的光的反射镜50。能够通过适宜增减周期性结构的重复次数，来调整反射率。
[0045]在环式激光器20、直线波导40及反射镜50上，形成有作为包层的硅氧化膜16。
[0046]接着，使用图3，说明本实施方式的光半导体元件的动作。
[0047]若向环式激光器20的电极32、34之间施加电压，则向光增益介质层30注入电流，从而在MQW层26内产生光学增益。使用了环形谐振器的激光器一般能够以顺时针(clockwise:Cff)及逆时针(counter clockwise:CCff)的两个模式振荡，因而在环形波导22中，向顺时针方向传播的光(CW模式光)和向逆时针方向传播的光(CCW模式光)进行振荡。在环形波导22中振荡的光的波长，成为满足与环形波导22的循环光路(circulatingoptical path)长度相对应的谐振条件的波长。
[0048]在环形波导22中振荡的CW模式光，经由光耦合器42而导入至直线波导40，并在反射镜50上反射之后从直线波导40的输出端口(在附图中是右侧)输出。
[0049]在反射镜50上反射的光的一部分经由光耦合器42导入至环形波导22，由此引发CCW模式光的感应发射(induced emission)。这样,在环形波导22中感应产生的CCW模式光是将从反射镜50返回来的CW模式光作为种子而被强制振荡的光,CW模式光和CCW模式光之间的相位关系由从反射镜50返回来的CW模式光的相位来规定。
[0050]在环形波导22中感应产生的CCW模式光经由光耦合器42导入至直线波导40，从而从直线波导40的输出端口输出。
[0051]此外，在上述的例子中，将CW模式光作为种子使CCW光强制振荡，但例如也可以通过将反射镜50设在与直线波导40相反的一侧的端部等方式，来将CCW模式光作为种子使CW模式光强制振荡。
[0052]接着,参照图3,依次说明元件内的各点上的相位。
[0053]将向光耦合器42的交叉方向传播时的相位变化定义为α，将向棒方向传播时的相位变化定义为β。将(a)点上的CW模式光的相位设定为O时，在光耦合器42中向交叉方向传播而到达(b)点的光的相位成为a。在直线波导40中，将在从(b)点向左方向传播后在反射镜50上反射而传播至(c)点时的相位变化设定为φ时，(c)点上的相位成为α+φ。
[0054]传播至(c)点的光，被分为在光耦合器42中向交叉方向传播后返回环形波导22的成分和在光耦合器42中向棒方向传播后在直线波导40中直行的成分。此时，返回至环形波导22的成分的(d)点上的相位成为2α+φ。另外，在直线波导40中直行的成分的(g)点上的相位成为α+φ+β。
[0055]根据谐振条件将m设定为整数时，在环形波导22中传播一圈时的相位变化成为2m 31，因而(e)点上的相位成为比传播一圈时的相位变化小β的2α+φ+2ιηπ-β。由此，CCW模式光从环形波导22出来时的(f)点上的相位成为3α+φ+2ηιπ-β。
[0056]如上所述，从环形波导22出来的CCW模式光的(f)点上的相位和从环形波导22出来后在反射镜50上反射来的CW模式光的(g)点上的相位之间的相位差成为2(α-β+ηιπ)。在2X2的光f禹合器42中，α与β之差为π，所以可知道这些光满足建设性干涉条件。
[0057]即，从环式激光器20输出的CW模式光及CCW模式光会聚到一个端口，与从反射镜so返回来时的相位变化量φ无关地发生建设性干涉。由此，与仅输出cw模式光及ccw模式光中的一个模式光的情况相比，能够将输出功率提高为二倍(参照后述的第一参考例及第四参考例)。
[0058]另外，不需要用于从CW模式光及CCW模式光中选择一个模式而进行振荡的种子光源(参照后述的第二参考例)，因而能够实现元件尺寸的小型化，从而能够降低耗电量。另夕卜，能够降低制造成本。
[0059]另外，不需为了选择性地使CW模式光及CCW模式光中的一个模式光进行振荡而导致波导结构不对称(参照后述的第三参考例)，因而能够防止因波导结构不对称而产生的波导损失。
[0060]光耦合器42并不限定于如图1所示的定向耦合器，而能够使用各种2X2光耦合器。例如，可例举如图4所示的MMI(Multimode Interferometer:多模式干涉)f禹合器、如图5所示的TMI (2-Mode Interferometer:二模式干涉)f禹合器以及如图6所示的Xf禹合器。就丽I耦合器而言，分支比的自由度受到限制，但具有对加工精度的公差范围(tolerance)宽的优点，特别地有效于使用与尺寸变化相对应的特性变化大的硅细线波导的情况。就TMI耦合器而言，除了有分支比的自由度，而且还没有如定向耦合器那样的两个波导之间的间距，因而能够降低因加工精度引起的特性偏差。
[0061]另外，反射镜50并不限定于如图1所示的分布式布拉格反射镜，而能够使用各种反射镜。图7至图10是使用环形镜(loop mirror)作为反射镜50的例子。图7所示的反射镜50使用定向耦合器作为构成环形镜的分波器。图8所示的反射镜50使用MMI耦合器作为构成环形镜的分波器。图9所示的反射镜50使用TMI耦合器构成作为环形镜的分波器。图10所示的反射镜50使用Y分支作为构成环形镜的分波器。
[0062]这样，根据本实施方式，通过在耦合在环式激光器上的波导的一端部设置反射镜，来使得通过环式激光器进行振荡的CW模式光和CCW模式光建设性地进行干涉，因而与输出一个模式的情况相比，能够大幅增加输出功率。另外，仅在波导的一端部设置反射镜，而不需设置用于选择性地使一个模式振荡的特别的功能，因而能够抑制元件尺寸的增大及耗电量的增大。
[0063][第二实施方式]
[0064]使用图11至图13，说明第二实施方式的光半导体元件。通过对与图1至图10所示的第一实施方式的光半导体元件相同的结构要素标注相同的附图标记，省略或简略说明。
[0065]图11是示出了本实施方式的光半导体元件的结构的俯视图。图12是示出了本实施方式的光半导体元件的发射光谱的一个例子的曲线图。图13是示出了本实施方式的变形例的光半导体装置的结构的俯视图。
[0066]如图11所示，本实施方式的光半导体元件，除了环式激光器20的数目不同之外，其它方面与图1所示的第一实施方式的光半导体元件相同。即，在本实施方式的光半导体元件中，设有用环形谐振器形成的三个环式激光器20A、20B、20C。环式激光器20A、20B、20C的环形波导22A、22B、22C的循环光路长度即谐振波长不同。环式激光器20A、20B、20C的环形波导22A、22B、22C经由2X2的光耦合器42A、42B、42C与直线波导40分别耦合。在直线波导40的一端部设有反射镜50。
[0067]如在第一实施方式中说明的那样，通过在直线波导40的一端部设置反射镜50，能够一边建设性地干涉使用环式激光器20振荡的CW模式光和CCW模式光,一边从输出端口输出CW模式光和CCW模式光。这样的动作也与以和直线波导40 I禹合的方式设置多个环式激光器20A、20B、20C的情况相同。
[0068]通过改变环形波导22A、22B、22C的谐振波长，能够得到使不同波长的振荡光会聚而成的多波长光源。例如，如图12所示，与环形波导22A、22B、22C的谐振波长相对应地，能够得到对波长λ 1、λ2、λ 3具有振荡波长的多波长光源。在该情况下，也使CW模式光和CCW模式光会聚为一束光，因而能够使从各环式激光器20A、20B、20C得到的功率倍增。
[0069]如上所述，CW模式光和CCW模式光之间的建设性干涉，不会受到在光耦合器42和反射镜50之间往复时的相位变化量Φ的影响。由此，将环式激光器20A、20B、20C耦合到直线波导40上的部位不特别限定。由此，能够大幅提高环式激光器20A、20B、20C的配置自由度。例如，如图13所示，通过在直线波导40的两侧配置环式激光器20A、20B、20C，能够缩短总线波导(直线波导40)，从而能够大幅减少元件面积。
[0070]这样，根据本实施方式，通过在耦合在环式激光器上的波导的一端部设置反射镜，来使得通过环式激光器进行振荡的CW模式光和CCW模式光建设性地进行干涉，因而与输出一个模式的情况相比，能够大幅增加输出功率。另外，仅在波导的一端部设置反射镜，而不需设置用于选择性地使一个模式振荡的特别的功能，因而能够抑制元件尺寸的增大及耗电量的增大。另外，通过在一个波导上设置多个环式激光器，能够实现光输出的多波长光源。
[0071][变形实施方式]
[0072]并不限定于上述实施方式，能够实现各种变形。
[0073]例如，在上述实施方式中，使用硅作为芯材料，使用硅氧化膜作为包层材料，但芯材料及包层材料并不限定于此。例如，也可以将化合物半导体作为芯材料。
[0074]另外，在上述实施方式中，在环形波导22上设有光增益介质层30，但光增益介质不需一定设在环形波导22上。例如，也可以切断环形波导22的一部分，来在该部分上通过倒装片安装法(flip-chip assembly)安装由化合物半导体形成的半导体光放大器的芯片。
[0075]例如，在上述实施方式中，环形波导22及直线波导40也可以是在硅板坯上形成硅筋而成的筋条结构的波导。
[0076]另外,在上述实施方式中，分布式布拉格反射镜由有娃芯的部分和没有娃芯的部分形成，但也可以是硅芯的一部分由硅氧化膜形成的结构以及改变筋条波导的板坯部分的厚度而成的结构。
[0077]另外，在上述第二实施方式中，设有三个环式激光器20A、20B、20C，但环式激光器的数目并不限定于三个。环式激光器20的数目也可以是两个或四个以上。
[0078]另外，在上述实施方式中，环式激光器20、20A、20B、20C的环形波导22、22A、22B、22C的平面形状为正圆形形状，但只要是环状的波导形状即可，则并不限定于正圆形形状。另外，耦合到环式激光器上的波导不需一定是直线的波导。
[0079]另外，在上述实施方式中叙述的光半导体元件的结构、构成材料等只不过是示出的一个例子，能够根据本领域技术人员的技术常识等适宜进行修正及变更。
[0080][第一参考例]
[0081]使用图14，说明第一参考例的光半导体元件。
[0082]图14是示出了本参考例的光半导体元件的结构的俯视图。
[0083]本参考例的光半导体元件具有:具有环形波导62的环式激光器60 ;与环式激光器60光学稱合的直线波导70。
[0084]在使用了环形谐振器的激光器中，一般能够以顺时针及逆时针这两个模式振荡，因而在环形波导22中，向顺时针方向传播的光(CW模式光)和向逆时针方向传播的光(CCW模式光)进行振荡。
[0085]在该情况下，在环形波导22中振荡的光中，CW模式光经由光耦合器72向直线波导70的左侧传播，CCW模式光经由光耦合器74向直线波导70的右侧传播。
[0086]从而，在本参考例的光半导体兀件中，CW模式光和CCW模式光从不同的端口输出，因而与环式激光器60的振荡功率相比，每一个端口的功率减半。
[0087][第二参考例]
[0088]使用图15，说明第二参考例的光半导体元件。
[0089]图15是示出了本参考例的光半导体元件的结构的俯视图。
[0090]本参考例的光半导体元件具有在第一参考例的光半导体元件的直线波导70的一端部设有ASE (Amplified Spontaneous Emission:放大自发发射)光源74的结构。
[0091]将由ASE光源74振荡发出的光从直线波导70的一端部导入之后，经由光I禹合器72导入至环形波导62，由此能够将来自ASE光源74的光作为种子光使CCW模式光选择性地振荡。由此,能够改善每一个端口的输出功率。
[0092]但是，在本参考例中的光半导体元件中需要ASE光源，因而导致元件尺寸大型化，还导致耗电量增加。另外，还导致制造成本的增加。
[0093][第三参考例]
[0094]使用图16，说明第三参考例的光半导体元件。
[0095]图16是示出了本参考例的光半导体元件的结构的俯视图。
[0096]本参考例的光半导体元件是组合多个直线波导80来使用波导端面上的光的反射来形成了环形谐振器的结构。通过使一个波导端面(在图16中是上部的波导端面82)的角度相对于左右的波导80而不对称，来使该波导端面82上的CW模式光的反射率和CCW模式光的反射率不同，由此能够选择性地使一个模式振荡。
[0097]然而，在本参考例的光半导体元件中，因波导不对称而向与波导方向偏离的方向反射，因而不能避免波导损失，从而导致能源效率下降。[0098][第四参考例]
[0099]使用图17及图18，说明第四参考例的光半导体元件。
[0100]图17是示出了本参考例的光半导体元件的结构的俯视图。图18是说明本参考例的光半导体元件的动作的图。
[0101]本参考例的光半导体元件具有如下结构，在该结构中，使用定向耦合器或Y分支等的合波器76，使从第一参考例的光半导体元件的两个输出端口输出的振荡光进行合波，由此从一个输出端口输出合波后的振荡光。
[0102]然而，在本参考例的光半导体兀件中，根据CW模式光和CCW模式光之间的相位差来改变输出功率。
[0103]将入射至合波器76之前的CW模式光的相位定义为φ I，将CCW模式光的相位定义
为时，在φ1-φ2=0时，向输出端口导入两个模式的功率,输出功率是一个模式时的2倍(图 18 (a))。
[0104]然而，在φ1-φ2=π/2时，向输出端口仅输出两个模式的功率的一半(图18 (b))。进而，在φ?-φ2=π时，向输出端口导入的输出功率成为ο (图18 (c))。
[0105]CW模式光和CCW模式光独立地进行振荡，未规定相位关系，时间上也发生变化。从而，在本参考例的光半导体兀件中，输出功率并非一定成为二倍，输出功率还会发生变动。
[0106]附图标记的说明
[0107]10硅基板
[0108]12、16硅氧化膜
[0109]14 硅层
[0110]20、20A、20B、20C、60 环式激光器
[0111]22、22A、22B、22C、62 环形波导
[0112]24 P 型 InGaAsP 层
[0113]26MQW 层
[0114]28N 型 InGaAsP 层
[0115]30光增益介质层
[0116]32、34 电极
[0117]40、70、82 直线波导
[0118]42、42A、42B、42C、72 光耦合器
[0119]50反射镜
[0120]74ASE 光源
[0121]76合波器
[0122]82波导端面
【权利要求】
1.一种光半导体兀件，其特征在于，具有: 环式激光器，其具有环形谐振器，该环形谐振器设有光增益元件，该光增益元件通过注入电流来产生光增益； 波导，其与所述环式激光器光学稱合； 反射镜，其设在所述波导的一端部。
2.如权利要求1所述的光半导体元件，其特征在于， 具有与所述波导光学耦合的多个所述环式激光器。
3.如权利要求2所述的光半导体元件，其特征在于， 多个所述环式激光器的振荡波长相互不同。
4.如权利要求1至3中任一项所述的光半导体元件，其特征在于， 所述环式激光器和所述波导通过定向耦合器光学耦合。
5.如权利要求1至3中任一项所述的光半导体元件，其特征在于， 所述环式激光器和所述波导通过多模式干涉光耦合器光学耦合。
6.如权利要求1至3中任一项所述的光半导体元件，其特征在于， 所述环式激光器和所述波导通过两个模式干涉光耦合器光学耦合。
7.如权利要求1至6中任一项所述的光半导体元件，其特征在于， 所述反射镜是分布式布拉格反射镜。
8.如权利要求1至6中任一项所述的光半导体元件，其特征在于， 所述反射镜是环形镜，该环形镜具有分波器和环形波导，所述分波器与所述波导耦合，所述环形波导与所述分波器耦合。
9.如权利要求8所述的光半导体元件，其特征在于， 所述分波器是定向耦合器。
10.如权利要求8所述的光半导体元件，其特征在于， 所述分波器是多模式干涉光耦合器。
11.如权利要求8所述的光半导体元件，其特征在于， 所述分波器是Y分支分波器。
12.如权利要求1至11中任一项所述的光半导体元件，其特征在于， 所述环形谐振器及所述波导的芯材料是硅。
13.如权利要求12所述的光半导体元件，其特征在于， 所述光增益元件由粘合在所述环形谐振器上的化合物半导体层形成。
【文档编号】H01S5/026GK103748748SQ201180072959
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2011年9月8日 优先权日:2011年9月8日
【发明者】秋山知之 申请人:富士通株式会社