JP2015220358A - Optical element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は光素子に関し、より詳細には、光共振器からの出力光の出射方向を半導体基板の垂直方向に変換する光素子に関する。 The present invention relates to an optical element, and more particularly, to an optical element that converts an emission direction of output light from an optical resonator into a vertical direction of a semiconductor substrate.
(従来の技術)
一般に、半導体レーザのモード半径は光ファイバのモード半径と大きく異なる。そのたァイバに集光する必要があった。従来、InPレンズを集積した表面出射型の半導体レーめ、出力光に対して外部の結合用レンズを用いることにより、モード半径を変換して光フザは、外部レンズを用いることなく簡易な実装で光ファイバへの高い光結合が実現できるようになっている(非特許文献1)。
(Conventional technology)
In general, the mode radius of a semiconductor laser is greatly different from the mode radius of an optical fiber. It was necessary to focus on the fiber. Conventionally, by using a surface emitting type semiconductor array integrated with InP lenses and an external coupling lens for the output light, the mode radius is converted and the optical fuzzer can be mounted simply without using an external lens. High optical coupling to an optical fiber can be realized (Non-Patent Document 1).
図1は、従来の半導体レーザの構成を示す図である。
図1に示す半導体レーザは、基板の水平方向に光を出射するレーザ共振器と、45°傾斜ミラー(45°reflection Mirror)と、InPレンズ(Inp-bottom Lens)とを備える。
このレーザ共振器の導波構造が有するモード半径は、基板の垂直方向および水平方向において異なり、扁平なモード分布を持つ。このため、45°傾斜ミラーとInPレンズとを介して半導体レーザの外部に出力される光のモード分布も扁平なものとなり、この半導体レーザは円筒状の導波構造を持つ光ファイバと完全な光結合を行うことができず、結果として、光結合効率が低下し得た。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a conventional semiconductor laser.
The semiconductor laser shown in FIG. 1 includes a laser resonator that emits light in the horizontal direction of a substrate, a 45 ° tilting mirror, and an InP lens (Inp-bottom Lens).
The mode radius of the waveguide structure of the laser resonator is different in the vertical and horizontal directions of the substrate and has a flat mode distribution. For this reason, the mode distribution of the light output to the outside of the semiconductor laser through the 45 ° tilt mirror and the InP lens is also flattened, and this semiconductor laser has an optical fiber having a cylindrical waveguide structure and complete light. As a result, the optical coupling efficiency could be reduced.
光ファイバとの高い光結合を可能にする半導体レーザとしては、共振器と、傾斜ミラーと、InPレンズとを基板に集積した表面出射型レーザがある。このInPレンズを備える表面出射型半導体レーザの構成を図2に示す。 As a semiconductor laser that enables high optical coupling with an optical fiber, there is a surface emitting laser in which a resonator, an inclined mirror, and an InP lens are integrated on a substrate. FIG. 2 shows a configuration of a surface emitting semiconductor laser including this InP lens.
図2は、従来の表面出射型レンズ集積レーザ100の構成を示す図であって、(a)は集積レーザ100の上面図、(b)は集積レーザ100の側面図、を示す。
図2において、集積レーザ100は、上部電極101と、傾斜ミラー102と、回折格子103と、上部SCH層104と、多層量子井戸層105と、下部SCH層106と、高反射膜107と、レンズ108と、下部電極109とを備える。さらに半導体レーザ1は、InP基板110と、2つのクラッド層111,112を備える。
2A and 2B are diagrams showing a configuration of a conventional surface emitting lens integrated laser 100, where FIG. 2A is a top view of the integrated laser 100, and FIG. 2B is a side view of the integrated laser 100. FIG.
In FIG. 2, the integrated laser 100 includes an upper electrode 101, an inclined mirror 102, a diffraction grating 103, an upper SCH layer 104, a multilayer quantum well layer 105, a lower SCH layer 106, a highly reflective film 107, and a lens. 108 and a lower electrode 109. The semiconductor laser 1 further includes an InP substrate 110 and two cladding layers 111 and 112.
この集積レーザ100では、レーザ共振器は、InP基板110と水平な方向を導波方向として回折格子103によるDFBモードで動作するように構成されている。 In this integrated laser 100, the laser resonator is configured to operate in the DFB mode by the diffraction grating 103 with the direction parallel to the InP substrate 110 as the waveguide direction.
レーザ共振器の終端から出射された出力光は、InP媒質中をガウシアンビームとして伝搬し、傾斜ミラー102に達する。傾斜ミラー102は共振器の出射方向に対して45°をなすように形成された平面で、全反射により入射した光の進行方向を基板垂直方向に変換する。さらに、出力光はその光軸上基板裏面に作成されたInPレンズ108に達する。 The output light emitted from the end of the laser resonator propagates through the InP medium as a Gaussian beam and reaches the tilt mirror 102. The inclined mirror 102 is a plane formed so as to form 45 ° with respect to the emission direction of the resonator, and converts the traveling direction of the incident light by total reflection into the substrate vertical direction. Further, the output light reaches the InP lens 108 formed on the back surface of the substrate on the optical axis.
InPレンズ108によって、シングルモードファイバのモード半径(約4.5μm)に合わせて集光し、光が半導体レーザ100の外部へ出力される。このように半導体レーザ100では、InPレンズ108を集積することにより、共振器の導波路構造のモード半径を光ファイバのモード半径に合わせて変換し、外部レンズを用いることなく簡易な実装で光ファイバに結合することができる。 The InP lens 108 collects light in accordance with the mode radius (about 4.5 μm) of the single mode fiber, and the light is output to the outside of the semiconductor laser 100. As described above, in the semiconductor laser 100, by integrating the InP lens 108, the mode radius of the waveguide structure of the resonator is converted according to the mode radius of the optical fiber, and the optical fiber can be simply mounted without using an external lens. Can be combined.
一般的に、レーザ共振器におけるモード分布は、基板の垂直方向および水平方向で対称にならず、導波路構造に依存して非対称な分布となる。すなわち、垂直方向および水平方向においてそれぞれ異なるモード半径を有する。 In general, the mode distribution in a laser resonator is not symmetric in the vertical and horizontal directions of the substrate, but is an asymmetric distribution depending on the waveguide structure. That is, it has different mode radii in the vertical direction and the horizontal direction.
図3は、一般的な導波路構造の一つである埋め込みヘテロ構造を有するレーザ共振器200の断面図である。
図3において、基板210の垂直方向には、多層量子井戸層は、上部および下部のSCH層201と、上部p型InP層202と、下部n型InP層203と、量子井戸層204とを備えた積層構造を有する。各SCH層201はAlGaInAsSCHで形成され、量子井戸層204はAlGaInAsで形成されている。
FIG. 3 is a cross-sectional view of a laser resonator 200 having a buried hetero structure which is one of general waveguide structures.
In FIG. 3, in the vertical direction of the substrate 210, the multilayer quantum well layer includes an upper and lower SCH layer 201, an upper p-type InP layer 202, a lower n-type InP layer 203, and a quantum well layer 204. Have a laminated structure. Each SCH layer 201 is made of AlGaInAsSCH, and the quantum well layer 204 is made of AlGaInAs.
量子井戸204および上部/下部SCH層201を含めたコア層の厚さは、約200〜300nm程度の厚さが一般的である。基板210の水平方向では、絶縁性のInP層201,203はクラッド層として機能する。
図3において、導波路幅(ストライプ幅)Wsは、発振波長サイズに合わせて1.5〜2.0μm程度に設定されるのが一般的である。なお、図3において、hcはコア層の厚さ、hmはメサ高さを示す。
The thickness of the core layer including the quantum well 204 and the upper / lower SCH layer 201 is generally about 200 to 300 nm. In the horizontal direction of the substrate 210, the insulating InP layers 201 and 203 function as cladding layers.
In FIG. 3, the waveguide width (stripe width) Ws is generally set to about 1.5 to 2.0 μm according to the oscillation wavelength size. In FIG. 3, hc represents the thickness of the core layer, and hm represents the mesa height.
上述した導波路における水平方向および垂直方向の光閉じ込め構造の差異によって、モード半径の相違が生じる。この点は、後述する図4において、レーザ共振器200のモード分布のシミュレーション結果を示してある。 The difference in the mode radius is caused by the difference in the optical confinement structure in the horizontal direction and the vertical direction in the waveguide described above. This point shows the simulation result of the mode distribution of the laser resonator 200 in FIG. 4 described later.
図4は、レーザ共振器200のモード分布のシミュレーション結果を示す図である。図4の例では、共振器の導波路構造としてストライプ幅Wsを1.5μm、コア層の厚さhcを200nm、メサ高さhmを2.6μmとする。 FIG. 4 is a diagram illustrating a simulation result of the mode distribution of the laser resonator 200. In the example of FIG. 4, the stripe width Ws is 1.5 μm, the core layer thickness hc is 200 nm, and the mesa height hm is 2.6 μm as the waveguide structure of the resonator.
シミュレーション時の集積レーザには、図2に示すような集積レーザ100を用いた。このときのモード半径は、基板210の水平方向では1.1μmに、垂直方向では0.55μmにそれぞれなることを確認した。さらに、水平方向においては約2倍のモード半径を有する扁平なモード分布が確認された。このときの共振器からの出射光は、垂直方向および水平方向にそれぞれ異なる広がり角を持ちながら伝搬し、傾斜ミラー102(図2)に達する。 An integrated laser 100 as shown in FIG. 2 was used as the integrated laser at the time of simulation. It was confirmed that the mode radius at this time was 1.1 μm in the horizontal direction of the substrate 210 and 0.55 μm in the vertical direction. Furthermore, a flat mode distribution having a mode radius of about twice in the horizontal direction was confirmed. The light emitted from the resonator at this time propagates with different divergence angles in the vertical direction and the horizontal direction, and reaches the inclined mirror 102 (FIG. 2).
傾斜ミラー102は平面であり、ビームの垂直方向および水平方向のモード分布を維持したまま、光を基板210(図3)の垂直方向に反射させる。InPレンズ108には、垂直方向および水平成分で異なるビーム広がり角で伝搬してきた扁平なモード分布をもつ光が入射する。このレンズ108を透過した後の集光距離や集光角は、垂直成分および水平成分で異なる。 The tilt mirror 102 is a plane, and reflects light in the vertical direction of the substrate 210 (FIG. 3) while maintaining the vertical and horizontal mode distribution of the beam. Light having a flat mode distribution that has propagated at different beam divergence angles in the vertical and horizontal components is incident on the InP lens 108. The condensing distance and the converging angle after passing through the lens 108 differ depending on the vertical component and the horizontal component.
従来の集光レーザは、傾斜ミラーによって、光の出射方向を変えるようにしている。しかしながら、光のモード分布が、垂直方向および水平成分で異なるため、光ファイバへ結合損失が生じるという問題があった。 In the conventional condensing laser, the light emission direction is changed by an inclined mirror. However, since the mode distribution of light is different between the vertical direction and the horizontal component, there is a problem that coupling loss occurs in the optical fiber.
本発明は、このような状況下においてなされたものであり、扁平な光のモード分布を改善して光ファイバとの結合効率を向上させることができる光素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made under such circumstances, and an object of the present invention is to provide an optical element that can improve the mode distribution of flat light and improve the coupling efficiency with an optical fiber.
上記の課題を解決するための発明は、基板上に形成された光共振器と、前記光共振器から光共振器軸方向に出射された光を、前記光共振器軸方向に対して垂直方向に反射させる傾斜ミラーと、前記反射させた光を集光するレンズとを含み、前記傾斜ミラーは反射面が曲率を有し、この曲率を有する反射面で前記光を反射させることにより、光のモード分布が円形になるようにモード半径を補正するように構成されている。 An invention for solving the above-described problems includes: an optical resonator formed on a substrate; and light emitted from the optical resonator in an optical resonator axial direction in a direction perpendicular to the optical resonator axial direction. A tilting mirror that reflects the light and a lens that collects the reflected light, and the tilting mirror has a reflecting surface, and the reflecting surface having the curvature reflects the light, thereby The mode radius is corrected so that the mode distribution is circular.
ここで、前記傾斜ミラーは、前記基板の表面に前記光を反射させるように構成され、前記レンズは、前記基板の表面側に形成されるようにしてもよい。 Here, the tilt mirror may be configured to reflect the light on the surface of the substrate, and the lens may be formed on the surface side of the substrate.
前記傾斜ミラーは、前記基板の裏面に前記光を反射させるように構成され、前記レンズは、前記基板の裏面側に形成されるようにしてもよい。 The tilt mirror may be configured to reflect the light on a back surface of the substrate, and the lens may be formed on the back surface side of the substrate.
前記傾斜ミラーの反射面は、水平方向の前記モード半径が補正されるように、前記基板に対して水平方向に曲率を有するようにしてもよい。 The reflective surface of the inclined mirror may have a curvature in the horizontal direction with respect to the substrate so that the mode radius in the horizontal direction is corrected.
光共振器終端から前記傾斜ミラーまでの距離が4.0μm以下の場合、前記傾斜ミラーの曲率は30μm以下に設定されるようにしてもよい。 When the distance from the optical resonator end to the tilt mirror is 4.0 μm or less, the curvature of the tilt mirror may be set to 30 μm or less.
前記基板および前記レンズは、InPで形成されるようにしてもよい。 The substrate and the lens may be made of InP.
本発明によれば、扁平な光のモード分布を改善して光ファイバとの結合効率を向上させることができる。 According to the present invention, the mode distribution of flat light can be improved and the coupling efficiency with an optical fiber can be improved.
<第1実施形態>
以下、本発明の第1実施形態である光素子について説明する。この実施形態の説明では、例えば半導体レーザに光素子を適用して説明する。
<First Embodiment>
The optical element according to the first embodiment of the present invention will be described below. In the description of this embodiment, for example, an optical element is applied to a semiconductor laser.
[半導体レーザの構成]
図5は、本実施形態の半導体レーザ1の構成例を示す図であって、(a)は半導体レーザ1の上面図、(b)は半導体レーザ1の側面図、(c)は半導体レーザ1の正面図、を示す。
[Configuration of semiconductor laser]
5A and 5B are diagrams illustrating a configuration example of the semiconductor laser 1 according to the present embodiment, in which FIG. 5A is a top view of the semiconductor laser 1, FIG. 5B is a side view of the semiconductor laser 1, and FIG. FIG.
図5(a)〜(c)に示すように、半導体レーザ1は、n−InP基板10と、上部電極11と、傾斜ミラー12と、回折格子13と、上部SCH層14と、多層量子井戸層15と、下部SCH層16と、高反射膜17と、InPレンズ18と、下部電極19とを備える。さらに半導体レーザ1は、InPクラッド層20,21を備える。 As shown in FIGS. 5A to 5C, the semiconductor laser 1 includes an n-InP substrate 10, an upper electrode 11, an inclined mirror 12, a diffraction grating 13, an upper SCH layer 14, and a multilayer quantum well. A layer 15, a lower SCH layer 16, a highly reflective film 17, an InP lens 18, and a lower electrode 19 are provided. The semiconductor laser 1 further includes InP cladding layers 20 and 21.
傾斜ミラー12は、共振器からの光の出射方向(光共振器軸方向)に対して45°の角度を有する。この角度は、エッチングによって形成される。 The tilting mirror 12 has an angle of 45 ° with respect to the light emission direction from the resonator (optical resonator axial direction). This angle is formed by etching.
この半導体レーザ1では、傾斜ミラー12の曲面は、共振器から出射されたモード分布(水平成分および垂直成分を有するもの)を補正するために、曲率がRmに設定される。図5(a)では、例えば、傾斜ミラー12の反射面を形成するエッチングマスク境界の形状が曲線になるように設定される。この曲線を描く円(図5(a)中、二点鎖線で示す。)では、基板表面の共振器ストライプの延長線上に延びる位置に中心oを有する。そして、円の半径をRmとする。 In this semiconductor laser 1, the curvature of the curved surface of the inclined mirror 12 is set to Rm in order to correct the mode distribution (having a horizontal component and a vertical component) emitted from the resonator. In FIG. 5A, for example, the shape of the boundary of the etching mask that forms the reflecting surface of the inclined mirror 12 is set to be a curve. A circle that draws this curve (indicated by a two-dot chain line in FIG. 5A) has a center o at a position that extends on the extension line of the resonator stripe on the substrate surface. The radius of the circle is Rm.
なお、図5(b)における距離zは、InP媒質中を基板水平方向に伝搬する光の伝搬距離を示し、図5(b)におけるd1は、基板垂直方向に伝搬する光の伝搬距離を示している。 Note that the distance z in FIG. 5B represents the propagation distance of light propagating in the InP medium in the horizontal direction of the substrate, and d1 in FIG. 5B represents the propagation distance of light propagated in the vertical direction of the substrate. ing.
この半導体レーザ1では、共振器終端から出射された出力光は、InP媒質中をガウシアンビームとして伝搬し、傾斜ミラー12に達する。傾斜ミラー12は共振器の出射方向に対して45°をなすように反射面が形成されており、この面での全反射により、入射した光の進行方向を基板10の垂直方向に変換する。これにより、共振器終端から出射された出力光は、反射ミラー12を介して、光軸上、基板裏面に形成されたInPレンズ18に達する。 In this semiconductor laser 1, the output light emitted from the end of the resonator propagates through the InP medium as a Gaussian beam and reaches the inclined mirror 12. The inclined mirror 12 is formed with a reflecting surface so as to form 45 ° with respect to the emitting direction of the resonator, and the traveling direction of incident light is converted into the vertical direction of the substrate 10 by total reflection on this surface. Thereby, the output light emitted from the end of the resonator reaches the InP lens 18 formed on the back surface of the substrate on the optical axis via the reflection mirror 12.
[半導体レーザの作製方法]
次に、この半導体レーザ1の作製方法について再度図5を参照して説明する。
半導体レーザ1の作製時は、SI−InP基板上に、n−InPクラッド層22、下部SCH層16、多重量子井戸層15、上部SCH層14を成長させた基板を初期基板に用いる。
[Method of manufacturing semiconductor laser]
Next, a method for manufacturing the semiconductor laser 1 will be described with reference to FIG. 5 again.
When the semiconductor laser 1 is manufactured, a substrate in which the n-InP cladding layer 22, the lower SCH layer 16, the multiple quantum well layer 15, and the upper SCH layer 14 are grown on the SI-InP substrate is used as an initial substrate.
まず、上述した基板の表面に回折格子13を形成した後、再成長によって回折格子13を埋め込みp−InPクラッド層22を形成する。次に、メサ構造をエッチングによって形成し、再び埋め込み再成長によってメサ両脇にFeをドーピングした半絶縁性InP層を形成する。 First, after forming the diffraction grating 13 on the surface of the substrate described above, the p-InP clad layer 22 is formed by burying the diffraction grating 13 by regrowth. Next, a mesa structure is formed by etching, and a semi-insulating InP layer doped with Fe is formed on both sides of the mesa by burying regrowth again.
共振器は、垂直方向において、多重量子井戸層15と、下部SCH層16と、上部SCH層14とからなるコア層(層厚の合計200nm)と、コア層を上下から挟み込むInPクラッド層20,21(それぞれ層厚2μm)とからなる積層構造を有する。そして、共振器の水平方向においては、メサ両脇にInP層が形成された埋め込みヘテロ構造を有する。 The resonator includes, in the vertical direction, a core layer (total thickness of 200 nm) composed of a multiple quantum well layer 15, a lower SCH layer 16, and an upper SCH layer 14, and an InP cladding layer 20 sandwiching the core layer from above and below, 21 (each having a layer thickness of 2 μm). And in the horizontal direction of the resonator, it has a buried hetero structure in which InP layers are formed on both sides of the mesa.
この実施形態の半導体レーザ1では、共振器長を200μm、ストライプ幅を1.5μmとする。そして、半導体レーザ1は、このような共振器内に形成した回折格子13に伴うDFBモードで動作する。 In the semiconductor laser 1 of this embodiment, the resonator length is 200 μm and the stripe width is 1.5 μm. The semiconductor laser 1 operates in the DFB mode associated with the diffraction grating 13 formed in such a resonator.
次に、共振器の一方の終端をエッチングし、i−InPの埋め込み再成長を行うp側およびn側の各電極11,19を形成した後、埋め込み再成長を行ったi−InP領域において、レーザストライプと45°の角度をなすエッチングを施す。このとき、エッチングマスクの境界を曲率Rmの曲面とすることで基板10の水平方向に曲面を持つ傾斜ミラー12を形成する。 Next, after etching one end of the resonator to form the p-side and n-side electrodes 11 and 19 that perform buried regrowth of i-InP, in the i-InP region where buried regrowth was performed, Etching is performed at an angle of 45 ° with the laser stripe. At this time, the inclined mirror 12 having a curved surface in the horizontal direction of the substrate 10 is formed by making the boundary of the etching mask a curved surface having a curvature Rm.
傾斜ミラー12は共振器終端から距離z=1.0μmの位置に配置する。この傾斜ミラー12によって、共振器からの出力光は基板裏面から出射される。この実施形態の半導体レーザ1では、傾斜ミラー12の曲率RmをRm =3.8μmの曲面形状とする。 The tilting mirror 12 is disposed at a distance z = 1.0 μm from the end of the resonator. By the inclined mirror 12, output light from the resonator is emitted from the back surface of the substrate. In the semiconductor laser 1 of this embodiment, the curvature Rm of the inclined mirror 12 is a curved surface shape with Rm = 3.8 μm.
そして、InP基板10を研磨して、図5に示したd1を100μmにする。その後、エッチングによって、曲率R1が 200μmのInPレンズ18を基板裏面に形成する。このようにして半導体レーザ1が作製される。この半導体レーザ1を用いてシングルモードファイバへの結合実験を行ったところ、結合損失が2dB 以下の良好な特性を示した。これは、平面ミラーを有する従来のInPレンズ集積レーザ(図2)と比較して、20%以上効率が向上していることを示している。 Then, the InP substrate 10 is polished to set d1 shown in FIG. 5 to 100 μm. Thereafter, an InP lens 18 having a curvature R1 of 200 μm is formed on the back surface of the substrate by etching. In this way, the semiconductor laser 1 is manufactured. When this semiconductor laser 1 was used to conduct a coupling experiment with a single mode fiber, it showed good characteristics with a coupling loss of 2 dB or less. This indicates that the efficiency is improved by 20% or more compared to the conventional InP lens integrated laser (FIG. 2) having a plane mirror.
次に、上述した半導体レーザ1の各種特性について説明する。
図6は、InP媒質中を伝搬するガウシアンビームの伝搬距離とビーム半径を示す図である。図6では、半導体レーザ1のDFBモード動作時には、ビーム出射するモード半径が垂直方向w0yで0.55μmになり、水平方向w0xで1.1μmになっている。
Next, various characteristics of the semiconductor laser 1 described above will be described.
FIG. 6 is a diagram showing the propagation distance and beam radius of a Gaussian beam propagating in the InP medium. 6, when the DFB mode operation of the semiconductor laser 1, the mode radius beam emission becomes 0.55μm vertically w 0y, have become 1.1μm horizontally w 0x.
一般に、共振器の垂直方向のモード半径は小さいことから、垂直方向の広がり角の方が大きくなる。例えば、伝搬距離z(図5(b))が長い場合、垂直方向のビーム広がりによりモード分布の一部がクラッド層の外側に漏れ損失が生じる。そのため、上部クラッド層21を2μmとした場合、90%以上の光分布がInP媒質中に存在する距離zは、4μm以下必要となる。 In general, since the vertical mode radius of the resonator is small, the spread angle in the vertical direction is larger. For example, when the propagation distance z (FIG. 5B) is long, a part of the mode distribution leaks outside the cladding layer due to the beam spread in the vertical direction. Therefore, when the upper clad layer 21 is 2 μm, the distance z at which 90% or more of the light distribution exists in the InP medium needs to be 4 μm or less.
次に、傾斜ミラー12と光ファイバとの結合効率の計算結果について、図7を参照して説明する。図7は、伝搬距離zが異なる場合の傾斜ミラー12の曲率に対する結合効率の依存性の一例を示す図である。なお、図7において、横軸は伝搬距離を、縦軸はビーム半径を、それぞれ示す。 Next, the calculation result of the coupling efficiency between the inclined mirror 12 and the optical fiber will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the dependence of the coupling efficiency on the curvature of the inclined mirror 12 when the propagation distance z is different. In FIG. 7, the horizontal axis indicates the propagation distance, and the vertical axis indicates the beam radius.
図7では、共振器終端から傾斜ミラー12までの伝搬距離zを0.5μm,1.0μm,2.0μm,4.0μmとした場合の傾斜ミラー12の曲率R1および結合効率の計算結果を示してある。
InPレンズ18の曲率R1は、垂直方向のモード半径w1y(図7の例では、0.55μm)に合わせて設計した。図7の例では、Rlは、最も光ファイバに光が結合する値、すなわちRl=200μmとした。
前述したとおり、共振器からの出力光が伝搬中にビーム広がりを持つことを考えると、伝搬距離zは4.0μm以下とする必要がある。
In FIG. 7, the calculation results of the curvature R 1 and the coupling efficiency of the inclined mirror 12 when the propagation distance z from the resonator end to the inclined mirror 12 is 0.5 μm, 1.0 μm, 2.0 μm, and 4.0 μm are shown. It is shown.
The curvature R 1 of the InP lens 18 is designed in accordance with the mode radius w 1y in the vertical direction (0.55 μm in the example of FIG. 7). In the example of FIG. 7, R l is a value at which light is most coupled to the optical fiber, that is, R l = 200 μm.
As described above, considering that the output light from the resonator has a beam spread during propagation, the propagation distance z needs to be 4.0 μm or less.
図7から、伝搬距離zに応じて傾斜ミラー12の曲率Rmを設計することで、90%以上の高い結合が得られることがわかる。例えば、傾斜ミラー12までの伝搬距離zが4.0μm以下である場合、90%以上の高い結合を得られるのは傾斜ミラー12の曲率Rmを30μm以下とした場合である。 It can be seen from FIG. 7 that high coupling of 90% or more can be obtained by designing the curvature Rm of the inclined mirror 12 according to the propagation distance z. For example, when the propagation distance z to the tilting mirror 12 is 4.0 μm or less, high coupling of 90% or more can be obtained when the curvature Rm of the tilting mirror 12 is 30 μm or less.
次に、共振器が有するモード半径に対する結合効率の違いを計算した結果について、図8を参照して説明する。図8は、モード分布が扁平な場合の傾斜ミラー曲率に対する結合効率の依存性の一例を示す図である。 Next, the result of calculating the difference in coupling efficiency with respect to the mode radius of the resonator will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a diagram illustrating an example of the dependence of the coupling efficiency on the tilt mirror curvature when the mode distribution is flat.
図8では、共振器内の垂直方向のモード半径w1yを0.55μmとし、水平方向のモード半径w1xを0.5μm,1.0μm,1.5μm,2.0μmとした場合のInPレンズ18の曲率Rlおよび結合効率を示してある。
InPレンズ18の曲率Rlは垂直方向のモード半径w1y(図8の例では、0.55μm)に合わせて設計し、Rl= 200μmとした。なお、共振器終端から傾斜ミラー12までの距離zは1μmとした。
In FIG. 8, the InP lens when the vertical mode radius w 1y in the resonator is 0.55 μm and the horizontal mode radius w 1x is 0.5 μm, 1.0 μm, 1.5 μm, and 2.0 μm. A curvature R l of 18 and coupling efficiency is shown.
The curvature R l of the InP lens 18 is designed in accordance with the mode radius w 1y in the vertical direction (0.55 μm in the example of FIG. 8), and R l = 200 μm. The distance z from the end of the resonator to the tilting mirror 12 was 1 μm.
図8から、モード半径が水平方向と垂直方向とで大きく異なる場合においても、傾斜ミラー12の曲率Rmを20μm以下に設定することで、90%以上の高い結合効率が実現できることがわかる。 FIG. 8 shows that even when the mode radius is greatly different between the horizontal direction and the vertical direction, a high coupling efficiency of 90% or more can be realized by setting the curvature Rm of the inclined mirror 12 to 20 μm or less.
以上説明したように、本実施形態の光素子1によると、傾斜ミラー12は反射面が曲率Rmを有し、この曲率Rmを有する反射面で光を反射させることにより、光のモード分布が円形になるようにモード半径を補正する。これにより、扁平な光のモード分布を改善して光ファイバとの結合効率が向上する。 As described above, according to the optical element 1 of the present embodiment, the inclined mirror 12 has a reflection surface having a curvature Rm, and light is reflected by the reflection surface having the curvature Rm, so that the mode distribution of light is circular. The mode radius is corrected so that This improves the mode distribution of flat light and improves the coupling efficiency with the optical fiber.
<第2実施形態>
第1実施形態の半導体レーザ1では、傾斜ミラー12によって、光の出射方向を基板裏面側へ変換する場合について説明したが、基板表面側に変換するように半導体レーザを構成するようにしてもよい。
Second Embodiment
In the semiconductor laser 1 of the first embodiment, the case where the light emission direction is converted to the back side of the substrate by the inclined mirror 12 has been described. However, the semiconductor laser may be configured to convert to the substrate front side. .
図9は、第2実施形態における半導体レーザ1Aの構成例を示す図であって、(a)は半導体レーザ1Aの上面図、(b)は半導体レーザ1Aの側面図、(c)は半導体レーザ1Aの正面図、を示す。なお、以下の説明では、特に記述しない限り、第1実施形態の説明で用いた符号等をそのまま用いる。 FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of the semiconductor laser 1A according to the second embodiment, in which (a) is a top view of the semiconductor laser 1A, (b) is a side view of the semiconductor laser 1A, and (c) is a semiconductor laser. The front view of 1A is shown. In the following description, the symbols used in the description of the first embodiment are used as they are unless otherwise specified.
図9(a)〜(c)に示すように、半導体レーザ1Aは、第1実施形態のものと同様に、基板10と、上部電極11と、回折格子13と、上部SCH層14と、多層量子井戸層15と、下部SCH層16と、高反射膜17とを備える。さらに、半導体レーザ1Aは、InPクラッド層20,21を備える。なお、図9では、下部電極が示されていないが、半導体レーザ1Aでも、図5に示したものと同様に下部電極を備える。
一方、第1実施形態のものと異なり、半導体レーザ1Aは、共振器からの光の出射方向に対して+45°の角度を有する傾斜ミラー12Aを備える。また、半導体レーザ1Aは、傾斜レンズ12Aの上面側(基板10の表面側)に、傾斜ミラー12Aによって反射された光を集光するInPレンズ18Aを備える。
As shown in FIGS. 9A to 9C, the semiconductor laser 1A includes a substrate 10, an upper electrode 11, a diffraction grating 13, an upper SCH layer 14, and a multilayer as in the first embodiment. A quantum well layer 15, a lower SCH layer 16, and a highly reflective film 17 are provided. Further, the semiconductor laser 1A includes InP cladding layers 20 and 21. Although the lower electrode is not shown in FIG. 9, the semiconductor laser 1A is also provided with the lower electrode in the same manner as that shown in FIG.
On the other hand, unlike the first embodiment, the semiconductor laser 1A includes an inclined mirror 12A having an angle of + 45 ° with respect to the light emitting direction from the resonator. The semiconductor laser 1A includes an InP lens 18A that condenses the light reflected by the tilt mirror 12A on the upper surface side (surface side of the substrate 10) of the tilt lens 12A.
半導体レーザ1Aの作製は、第1実施形態の場合とほぼ同様である。すなわち、SI−InP基板上に、下部SCH層16、多重量子井戸層15、上部SCH層14を成長させた基板を初期基板に用いる。 The production of the semiconductor laser 1A is almost the same as that in the first embodiment. That is, a substrate obtained by growing the lower SCH layer 16, the multiple quantum well layer 15, and the upper SCH layer 14 on the SI-InP substrate is used as the initial substrate.
まず、上述した基板表面に回折格子13を形成した後、再成長によって回折格子13を埋め込みp−InPクラッド層22を形成する。次に、メサ構造をエッチングによって形成し、再び埋め込み再成長によってメサ両脇にFeをドーピングした半絶縁性InP層を形成する。 First, after forming the diffraction grating 13 on the substrate surface described above, the p-InP cladding layer 22 is formed by burying the diffraction grating 13 by regrowth. Next, a mesa structure is formed by etching, and a semi-insulating InP layer doped with Fe is formed on both sides of the mesa by burying regrowth again.
共振器は、垂直方向において、多重量子井戸層15と、下部SCH層16と、上部SCH層14とからなるコア層(層厚の合計200nm)と、コア層を上下から挟み込むInPクラッド層20,21(それぞれ層厚2μm)とからなる積層構造を有する。そして、共振器の水平方向においては、メサ両脇にInP層が形成された埋め込みヘテロ構造を有する。 The resonator includes, in the vertical direction, a core layer (total thickness of 200 nm) composed of a multiple quantum well layer 15, a lower SCH layer 16, and an upper SCH layer 14, and an InP cladding layer 20 sandwiching the core layer from above and below, 21 (each having a layer thickness of 2 μm). And in the horizontal direction of the resonator, it has a buried hetero structure in which InP layers are formed on both sides of the mesa.
そして、共振器長を150μm、ストライプ幅を1.6μmとすうる。そして、半導体レーザ1Aは、このような共振器内に形成した回折格子13に伴うDFBモードで動作する。この共振器終端から出射される出力光の光モード半径は垂直方向および水平方向にそれぞれw1y=0.55μm、w1x=1.16μmであった。続いて、共振器の一方の終端をエッチングし、i−InPの埋め込み再成長を行い、i−InP領域の基板表面に曲率R1が9μmのInPレンズ18Aを形成した。 The resonator length can be 150 μm and the stripe width can be 1.6 μm. The semiconductor laser 1A operates in the DFB mode associated with the diffraction grating 13 formed in such a resonator. The optical mode radii of the output light emitted from the end of the resonator were w 1y = 0.55 μm and w 1x = 1.16 μm in the vertical and horizontal directions, respectively. Subsequently, one end of the resonator was etched, and i-InP buried regrowth was performed to form an InP lens 18A having a curvature R 1 of 9 μm on the substrate surface in the i-InP region.
n側およびp側の電極を形成した後、共振器の出射方向と135°の角度をなすエッチングを施す。このとき、エッチングマスクの境界を曲率Rmの曲面とすることで、基板10の水平方向に曲面を持つ傾斜ミラー12Aを形成する。 After forming the n-side and p-side electrodes, etching is performed at an angle of 135 ° with the emission direction of the resonator. At this time, an inclined mirror 12A having a curved surface in the horizontal direction of the substrate 10 is formed by making the boundary of the etching mask a curved surface having a curvature Rm.
また、傾斜ミラー12Aは、共振器終端から距離z=0.5μmの位置に配置される。傾斜ミラー12Aによって、共振器からの出力光は基板表面から出射される。この実施形態の半導体レーザ1Aでは、この傾斜ミラー12Aを曲率Rm=2.3μmの曲面形状とし、傾斜ミラー12AからInPレンズ18Aまでの長さを4μmとする。 Further, the tilting mirror 12A is disposed at a position where the distance z = 0.5 μm from the end of the resonator. Output light from the resonator is emitted from the substrate surface by the inclined mirror 12A. In the semiconductor laser 1A of this embodiment, the inclined mirror 12A has a curved surface shape with a curvature Rm = 2.3 μm, and the length from the inclined mirror 12A to the InP lens 18A is 4 μm.
このようにして作製された半導体レーザ1Aにおいても、シングルモードファイバへの結合実験では、第1実施形態のものと同様に、結合効率は3db 以下の良好な特性を示した。また、平面ミラーを有する従来のInPレンズ集積レーザ(図2)と比較して、50%以上効率が向上していることがわかった。 Also in the semiconductor laser 1A manufactured in this way, in the coupling experiment to the single mode fiber, the coupling efficiency showed a good characteristic of 3 db or less as in the first embodiment. It was also found that the efficiency was improved by 50% or more compared to the conventional InP lens integrated laser (FIG. 2) having a plane mirror.
なお、上記各実施形態は上述した例に限られず、変更することができる。例えば、 半導体レーザ1,1Aでは、図3に示した導波路200の構造にかかわらず、ストライプ幅やコア層厚を変更した場合でも、その場合の扁平なモード分布に応じたミラー曲率を用いることで、高い結合効率が実現できる。 In addition, each said embodiment is not restricted to the example mentioned above, It can change. For example, in the semiconductor lasers 1 and 1A, even when the stripe width and the core layer thickness are changed regardless of the structure of the waveguide 200 shown in FIG. 3, the mirror curvature corresponding to the flat mode distribution in that case is used. Thus, high coupling efficiency can be realized.
また、半導体レーザ1,1Aは埋め込みヘテロ構造に関わらず、リッジ構造やハイメサ構造など異なる導波路構造を有する共振器においても、その扁平なモード分布に応じたミラー曲率を用いることで、高い結合効率が実現できる。また、基板10、レンズ18および共振器などの材料やサイズなどについても、傾斜ミラー12,12Aによって高い結合効率が実現できるのであれば、適宜変更するようにしてもよい。 In addition, the semiconductor lasers 1 and 1A have a high coupling efficiency by using a mirror curvature corresponding to a flat mode distribution even in a resonator having a different waveguide structure such as a ridge structure or a high mesa structure regardless of a buried hetero structure. Can be realized. Further, the material and size of the substrate 10, the lens 18, and the resonator may be appropriately changed as long as high coupling efficiency can be realized by the inclined mirrors 12 and 12A.
上記各実施形態では、光素子を半導体レーザに適用する場合について説明したが、例えば導波路や変調器などに適用することもできる。 In each of the above embodiments, the case where the optical element is applied to a semiconductor laser has been described. However, the present invention can also be applied to, for example, a waveguide or a modulator.
1,1A 半導体レーザ
10 基板
12 傾斜ミラー
18 レンズ
1,1A Semiconductor laser 10 Substrate 12 Tilt mirror 18 Lens
Claims (6)
前記光共振器から光共振器軸方向に出射された光を、前記光共振器軸方向に対して垂直方向に反射させる傾斜ミラーと、
前記反射させた光を集光するレンズと
を含み、
前記傾斜ミラーは反射面が曲率を有し、この曲率を有する反射面で前記光を反射させることにより、光のモード分布が円形になるようにモード半径を補正するように構成されていることを特徴とする光素子。 An optical resonator formed on a substrate;
An inclined mirror that reflects light emitted from the optical resonator in the optical resonator axial direction in a direction perpendicular to the optical resonator axial direction;
A lens for collecting the reflected light, and
The inclined mirror has a reflection surface having a curvature, and the light is reflected by the reflection surface having the curvature so that the mode radius is corrected so that the mode distribution of the light is circular. A characteristic optical element.
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