JP2004266095A

JP2004266095A - 半導体光増幅器

Info

Publication number: JP2004266095A
Application number: JP2003054623A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Yamada; 敦史山田
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2004-09-24

Abstract

【課題】半導体光増幅器における利得の偏波依存性を抑制する。
【解決手段】半導体基板１と、この半導体基板の上方に形成された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を含む活性層１３とを備え、一方の端面１７ａから入射した光１９が、光の伝搬方向に沿って形成された活性層１３を含む光導波路を伝搬する過程で増幅されて、他方の端面１７ｂから出射する半導体光増幅器において、
多重量子井戸構造は複数組の井戸層１４と障壁層１５とを有し、井戸層又は障壁層は引張り歪を有し、かつ障壁層の厚みは４ｎｍ以下に設定されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一方の端面から入射した光を増幅して他方の端面から出射する半導体光増幅器に係わり、特に増幅における利得の偏波依存性を抑制した半導体光増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムにおいて、光信号を光ファイバを介して遠方に伝送する場合に光信号の減衰が生じるので、中継器を設けてこの中継器で光信号を増幅する必要がある。光信号を電気信号に変換せずに直接増幅する光増幅器の一つとして半導体光増幅器が実用化されている。
【０００３】
このような半導体光増幅器において、良好な光の発振特性を得るために、活性層として、一つの均一物質で構成されたバルク構造の他に、複数の井戸層とこの各井戸層の両側に位置する複数の障壁層とを積層した多重量子井戸（ＭｕｌｔｉｐｌｅＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ）構造（以下、ＭＱＷ構造と略記する）が採用されている。
【０００４】
図１１（ａ）はこの活性層にＭＱＷ構造を採用した半導体光増幅器の横断面図であり、図１１（ｂ）はこのＭＱＷ構造を採用した活性層の概略構成図である。
【０００５】
ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１の上面に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰからなる光閉込層２、ノンドープ型ＩｎＧａＡｓＰからなる活性層３、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなる光閉込層４が順番に積層されている。この半導体基板１の上部、光閉込層２、活性層３、光閉込層４はメサ部を形成している。ＭＱＷ構造を有する活性層３においては、複数の井戸層６とこの各井戸層６の両側に位置する複数の障壁層５とが積層されている。
【０００６】
メサ部の両側には、ｐ型ＩｎＰからなる下部埋込層７が埋込形成され、この下部埋込層７の上面にｎ型ＩｎＰからなる上部埋込層８が埋込形成されている。この上部埋込層８の上面と光閉込層４の上面を共通に覆うｐ型ＩｎＰからなるクラッド層９が形成されている。さらに、このクラッド層９の上面にｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層１０が形成され、コンタクト層１０の上面にｐ電極１１が取付けられ、半導体基板１の下面にｎ電極１１が取付けられている。
【０００７】
この半導体光増幅器においては半導体レーザにおける光の増幅作用を直接利用する。具体的には、ｐ電極１１とｎ電極１２との間に直流電流を供給することで、活性層３内のキャリアの数を増加させる。すると、活性層３内で誘導放出が生じる。
【０００８】
このような光増幅作用を有する半導体光増幅器の一方の端面から信号光を入射すると、この信号光が他方の端面から出射されるまでの間に、素子内部の誘導放出により、他方の端面から出射される光が増加する。出射された光の光強度の入射された光の光強度との比を利得とする。
【０００９】
なお、特許文献１には、活性層としてＭＱＷ構造を採用したスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）におけるＭＱＷ構造の詳細構造が開示されている。さらに、非特許文献１には、多重量子井戸ＬＤの設計手法が開示されている。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１１−２８４２２３号公報
【００１１】
【非特許文献１】
小久保吉裕、「電子のエンベロープ関数の最適化を図った多重量子井戸ＬＤの設計」、電子情報通信学会、信学技報、０ＱＥ９３―９０（１９９３―０９）、ｐ５１―５６
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら図１１（ａ）（ｂ）に示す活性層３にＭＱＷ構造を採用した半導体光増幅器においてもまだ改良すべき次のような課題があった。
【００１３】
すなわち、半導体光増幅器では、光導波路中を伝搬する光の電界が活性層の幅方向の成分を有するＴＥモードと、光導波路中を伝搬する光の磁界が活性層の幅方向の成分を有するＴＭモードとの２つの偏波状態が存在する。一般に、利得は２つの偏波状態毎に異なる。
【００１４】
一方、この半導体光増幅器へ入射する光を伝搬する光ファイバに、振動、温度変化等に起因して応力が加わると、光ファイバ内を伝搬される光の偏波状態が変化する。したがって、半導体光増幅器における光増幅の利得が、入射する光の偏波状態に応じて変動する。すると、利得の偏波依存性のために、出射する光の強度が変動する。
【００１５】
利得の偏波依存性を解消するために、活性層３の厚みを増加することが提唱されている。すなわち、活性層３として、ＭＱＷ構造ではなくて、一つの均一物質で構成されたバルク構造を採用する必要がある。しかし、活性層３としてバルク構造を採用することで偏波依存性を解消するためには、活性層３を０．３〜０．４μｍの矩形にする必要があり、高精度加工技術を必要とし、歩留りにも問題があった。
【００１６】
このような不都合を解消するために、ＭＱＷ構造を採用した活性層３において、ＭＱＷ構造における井戸層６に引張り歪が加えられている材料を採用する。加える引張り歪量を調整することによって、ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得とを近似させて、利得の偏波依存性を抑制できる。
【００１７】
しかし、井戸層６に加える引張り歪量を調整するのみで、半導体光増幅器における利得の偏波依存性を抑制する場合においては、加える引張り歪量を高い精度で制御する必要があるので、製造工程が複雑化するとともに、製造された半導体光増幅器の歩留まりが低下する。
【００１８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、たとえ井戸層に加える引張り歪量を高い精度で制御しなくでも、利得の偏波依存性を大幅に抑制でき、製造上の歩留まりを大幅に向上できる半導体光増幅器を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解消するために、本発明は、半導体基板と、この半導体基板の上方に形成された多重量子井戸構造を含む活性層とを備え、一方の端面から入射した光が、光の伝搬方向に沿って形成された活性層を含む光導波路を伝搬する過程で増幅されて、他方の端面から出射する半導体光増幅器において、多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）は複数組の井戸層と障壁層とを有し、井戸層と障壁層のいずれか一方は引張り歪を有し、かつ障壁層の厚みは４ｎｍ以下に設定されている。
【００２０】
このように構成された半導体光増幅器においては、ＭＱＷ構造における井戸層又は障壁層に引張り歪が加えられている材料を採用しているので、前述したように、井戸層又は障壁層に加える引張り歪量を調整することによって、ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得とを近づけることで、利得の偏波依存性を抑制できる。
【００２１】
さらに、障壁層の厚みを４ｎｍ以下に設定しているので、ＭＱＷ構造を構成する互いに隣接する井戸層内に閉じ込められた電子の波動関数が互いに連結するので、井戸層の数だけ、量子電位の分裂が起こるために、量子効果が弱くなる。このため利得の偏波依存性を一定量に抑制するために、井戸層又は障壁層に加える引張り歪量の許容範囲が広くなる。なお、活性層としてＭＱＷ構造を採用しているので、このＭＱＷ構造が有する優れた光の特性が損なわれることはない。
【００２２】
また別の発明は、上述した発明の半導体光増幅器において、さらに、井戸層は引張り歪を有し、障壁層は圧縮歪を有している。
このような半導体光増幅器においては、障壁層に圧縮歪を印加することにより、活性層全体の歪量を低減することができるために、信頼性を向上させることが期待できる。
【００２３】
また別の発明は、上述した発明の半導体光増幅器において、さらに、各端面の少なくとも一方と活性層との間にして、端面付近で活性層が途切れることにより形成された窓部を有する。
【００２４】
このように各端面と活性層との間に窓部を形成することによって、半導体光増幅器内に大きな共振光が生じることが防止される。
【００２５】
また、別の発明は、上述した発明の半導体光増幅器において、活性層を各端面に対して傾斜して形成している。
このように活性層を各端面に対して傾斜させることによって、活性層の端面から出射され各端面で反射した光が再度活性層に入射されることが防止される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態を図面を用いて説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す斜視図であり、図２は図１に示す半導体光増幅器をＡ―Ａ’線で切断した横断面図である。図１１（ａ）に示す従来の半導体光増幅器と同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。
【００２７】
ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１の上面に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰからなる光閉込層２、ノンドープ型ＩｎＧａＡｓＰからなる活性層１３、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなる光閉込層４が順番に積層されている。この半導体基板１の上部、光閉込層２、活性層１３、光閉込層４はメサ部を形成している。メサ部の両側には、ｐ型ＩｎＰからなる下部埋込層７が埋込形成され、この下部埋込層７の上面にｎ型ＩｎＰからなる上部埋込層８が埋込形成されている。この上部埋込層８の上面と光閉込層４の上面を共通に覆うｐ型ＩｎＰからなるクラッド層９が形成されている。さらに、このクラッド層９の上面にｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層１０が形成され、コンタクト層１０の上面にｐ電極１１が取付けられ、半導体基板１の下面にｎ電極１１が取付けられている。
【００２８】
さらに、この半導体光増幅器の信号光１９が入射される端面１７ａ、及び増幅された光２０が出射される端面１７ｂにはそれぞれ無反射膜１８ａ、１８ｂが形成されている。
【００２９】
図３（ａ）、図３（ｂ）はＭＱＷ構造を有する活性層１３の概略構成図である。ＭＱＷ構造を有する活性層１３においては、複数の井戸層１４とこの各井戸層１４の両側に位置する複数の障壁層１５とが積層されている。そして、この実施形態においては、各障壁層１５の厚みｔ_１が２ｎｍに設定され、各井戸層１４の厚みｔ_２が９ｎｍに設定されている。
【００３０】
そして、図３（ｂ）に示すように、活性層１３における井戸層１４の屈折率が最も高く、次に障壁層１５の屈折率が高く、続いて、両側の光閉込層２、４、さらに半導体基板１及びクラッド層９が続く。したがって、活性層１３と両側の光閉込層２、４は、一方の端面１７ａから入射した光１９を増幅して他方の端面１７ｂへ導く光導波路を形成する。
【００３１】
さらに、この実施形態においては、ＭＱＷ構造を有する活性層１３の各井戸層１４は引張り歪を有している。この引張り歪の歪量は、前述したように、ＴＥモードの利得とＴＭモードの利得とが一致するように設定する。
【００３２】
このような構成の半導体光増幅器において、ｐ電極１１とｎ電極１２との間に直流電流を供給することで、活性層１３内のキャリアを増加させ、活性層１３内での利得を上げる。
【００３３】
この状態で、一方の端面１７ａから信号光１９を入射すると、活性層１３内での内部利得により増幅され、その結果、他方の端面１７ｂから出射される光２０が増加する。
【００３４】
なお、端面１７ａ、１７ｂに無反射膜１８ａ、１８ｂが形成されているので、活性層１３と両側の光閉込層２、４とで形成される光導波路の端面から出射され光が、この端面１７ａ、１７ｂで反射されて、再度活性層１３へ入射されるファブリペロー共振を防ぐことができる。よって、増幅された光２０の特定波長にピークが生じることなく、半導体光増幅器における波長特性を向上できる。
【００３５】
次に、このように構成された半導体光増幅器において利得の偏波依存性を抑制できる動作原理を説明する。
図１１（ａ）（ｂ）に示す一般的な半導体光増幅器に活性層３として組込まれたＭＱＷ構造では、井戸層６は通常４〜１２ｎｍ程度で、障壁層５は、井戸層６内に閉じ込められた電子の波動関数が隣の井戸層６内に閉じ込められた電子の波動関数と重ならないように、８〜１２ｎｍの厚さにするのが普通である。
【００３６】
そこで、実施形態の半導体光増幅器においては、井戸層１４内に閉じ込められた電子の波動関数が隣の井戸層１４内に閉じ込められた電子の波動関数とが故意に重なるように、障壁層５の厚みを、通常４〜１２ｎｍから大幅に低下させた、４ｎｍ以下である２ｎｍに設定している。なお、障壁層の厚みを４ｎｍ以下に設定すれば隣り合う井戸層内に閉じ込められた各電子の波動関数が互いに連結することは、前述した特許文献１及び非特許文献１に既に記載されている。
【００３７】
このように、ＭＱＷ構造を構成する複数の井戸層１４内に閉じ込められた電子の波動関数が互いに連結するので、たとえＭＱＷ構造を構成する井戸層１４の数を増加したとしても、活性層１３内のキャリアの均一性が劣化することはない。
【００３８】
一方、ＭＱＷ構造における井戸層１４に引張り歪が加えられている材料を採用しているので、前述したように、井戸層１４に加える引張り歪量を調整することによって、利得の偏波依存性を抑制できる。
【００３９】
この場合、前述したように、ＭＱＷ構造を構成する複数の井戸層１４内に閉じ込められた電子の波動関数が互いに連結するので、井戸層１４の数だけ、量子電位の分裂が起こるために、量子効果が弱くなる。このため利得の偏波依存性を一定量に抑制するために、井戸層１４に加える引張り歪量の許容範囲が広くなる。
【００４０】
図４は、活性層に従来の厚み８〜１２ｎｍの障壁層を組込んだＭＱＷ構造を採用した半導体光増幅器と、活性層に厚み４ｎｍ以下の障壁層１５を組込んだＭＱＷ構造を採用した半導体光増幅器とにおける引張り歪を加えた場合における利得の偏波依存性を示す図である。
【００４１】
図示するように、バルク構造では偏波依存性は、光閉込係数の偏波依存性に起因しているので、活性層に十分厚い層厚のバルク構造を採用することで利得の偏波依存性を低減することができる。一方、活性層に厚み４ｎｍ以下の障壁層１４を組込んだＭＱＷ構造を採用した場合は、活性層に厚み８〜１２ｎｍの障壁層を組込んだＭＱＷ構造を採用した場合に比較して、歪量の変化に対する利得の変化量（偏波依存量）は少ない。
【００４２】
したがって、たとえ井戸層１４に加える引張り歪量を高い精度で制御しなくでも、利得の偏波依存性を大幅に抑制でき、製造上の歩留まりを大幅に向上できる。なお、活性層としてＭＱＷ構造を採用しているので、このＭＱＷ構造が有する優れた光の特性が損なわれることはない。
【００４３】
なお、ＭＱＷ構造における井戸層１４に引張り歪を印加することに加えて、障壁層１５に圧縮歪を印加することも可能である。障壁層に圧縮歪を印加することにより、活性層１３全体の歪量を低減することができるために、信頼性を向上できる。
【００４４】
さらに、ＭＱＷ構造における障壁層１５のみに引張り歪を印加することにより、ＴＭモードの利得とＴＥモードの利得とを近似させることもできる。
【００４５】
（第２実施形態）
図５は本発明の第２実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す斜視図であり、図６は図５に示す半導体光増幅器をＢ―Ｂ’線で切断した水平断面図である。図１、図２に示す第１実施形態の半導体光増幅器と同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。
【００４６】
この第２実施形態の半導体光増幅器においては、各端面１７ａ、１７ｂと活性層１３との間にはそれぞれ窓部２１ａ、２１ｂが設けられている。この窓部２１ａ、２１ｂ内には図５に示すように、下部埋込層７と上部埋込層８とが埋込まれている。
【００４７】
窓部２１ａ、２１ｂを充填する下部埋込層７と上部埋込層８との屈折率は、活性層１３を含む光導波路の屈折率より小さいので、活性層１３から出力された光はガウスビームに従い広がる。その結果、各端面１７ａ、１７ｂにおいて反射されて再び活性層１３に帰還した光の密度は窓部２１ａ、２１ｂの長さに応じて小さくなる。このため、等価的に光の反射率が低下することになる。
【００４８】
よって、増幅された光２０の特定波長にピークが生じることなく、半導体光増幅器における波長特性をより一層向上できる。
【００４９】
（第３実施形態）
図７は本発明の第３実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す水平断面図である。図６に示す第２実施形態の半導体光増幅器と同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。
【００５０】
この第３実施形態の半導体光増幅器においては、活性層１３は光１９、２０が入出力される各端面１７ａ、１７ｂに対して傾斜して形成されている。そして、各端面１７ａ、１７ｂと活性層１３との間にはそれぞれ窓部２１ａ、２１ｂが設けられている。この窓部２１ａ、２１ｂ内には下部埋込層７と上部埋込層８とが埋込まれている。また、端面１７ａに信号光１９の入射角も、これに応じて傾斜している。さらに、端面１７ｂから出射される光２０の出射角も同様に傾斜している。
【００５１】
このように構成された第３実施形態の半導体光増幅器においては、活性層１３は光１９、２０が入出力される各端面１７ａ、１７ｂに対して傾斜して形成されているので、活性層１３の端面から出射されて各端面１７ａ、１７ｂで反射した光が再度活性層１３に入射されることが防止される。すなわち、各端面１７ａ、１７ｂにおける光の反射率がさらに低下する。
【００５２】
（第４実施形態）
図８は本発明の第４実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す水平断面図である。図７に示す第３実施形態の半導体光増幅器と同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。
【００５３】
この第４実施形態の半導体光増幅器においては、活性層１３は光１９、２０が入出力される各端面１７ａ、１７ｂに対して傾斜して形成されている。そして、この実施形態においては、窓部２１ａ、２１ｂは設けられていなくて、活性層１３の端面が各端面１７ａ、１７ｂの外側に形成された無反射膜１８ａ、１８ｂに当接している。
【００５４】
このように構成された第４実施形態の半導体光増幅器においても、活性層１３の端面から出射されて各端面１７ａ、１７ｂ（各無反射膜１８ａ、１８ｂ）で反射した光が再度活性層１３に入射されることが防止される。すなわち、各端面１７ａ、１７ｂにおける光の反射率が低下する。
【００５５】
（第５実施形態）
図９は本発明の第５実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す水平断面図である。図８に示す第４実施形態の半導体光増幅器と同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。
【００５６】
この第５実施形態の半導体光増幅器においては、活性層１３は、光１９、２０が入出力される各端面１７ａ、１７ｂに垂直な直線部１３ｃと、各端面１７ａ、１７ｂに対して傾斜する一対の傾斜部１３ａ、１３ｂとで形成されている。そして、傾斜部１３ａ、１３ｂの端面が各端面１７ａ、１７ｂの外側に形成された無反射膜１８ａ、１８ｂに当接している。
【００５７】
このように構成された第５実施形態の半導体光増幅器においても、活性層１３の端面から出射されて各端面１７ａ、１７ｂ（各無反射膜１８ａ、１８ｂ）で反射した光が再度活性層１３に入射されることが防止される。すなわち、各端面１７ａ、１７ｂにおける光の反射率が低下する。
【００５８】
（第６実施形態）
図１０は本発明の第６実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す水平断面図である。図９に示す第５実施形態の半導体光増幅器と同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。
【００５９】
この第６実施形態の半導体光増幅器においては、活性層１３における一対の傾斜部１３ａ、１３ｂは互いに反対方向へ傾斜している。
このように構成された第５実施形態の半導体光増幅器においても、活性層１３の端面から出射されて各端面１７ａ、１７ｂ（各無反射膜１８ａ、１８ｂ）で反射した光が再度活性層１３に入射されることが防止される。すなわち、各端面１７ａ、１７ｂにおける光の反射率が低下する。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体光増幅器においては、活性層におけるＭＱＷ構造の井戸層又は障壁層は引張り歪を有し、障壁層の厚みを４ｎｍ以下に設定している。したがって、たとえ井戸層又は障壁層に加える引張り歪量を高い精度で制御しなくでも、ＭＱＷ構造が有する優れた光特性を損なうことなく、利得の偏波依存性を大幅に抑制でき、製造上の歩留まりを大幅に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す斜視図
【図２】図１に示す第１実施形態の半導体光増幅器をＡ―Ａ’線で切断した横断面図
【図３】同第１実施形態の半導体光増幅器における活性層の詳細構成図
【図４】本発明の半導体光増幅器の利得の偏波依存性の特徴を説明するための図
【図５】本発明の第２実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す斜視図
【図６】図５に示す第２実施形態の半導体光増幅器をＢ―Ｂ’線で切断した水平断面図
【図７】本発明の第３実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す水平断面図
【図８】本発明の第４実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す水平断面図
【図９】本発明の第５実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す水平断面図
【図１０】本発明の第６実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す水平断面図
【図１１】従来の半導体光増幅器の概略構成を示す横断面図
【符号の説明】
１…半導体基板、２，４…光閉込層、３，１３…活性層、５，１５…障壁層、６，１４…井戸層、７…下部埋込層、８…上部埋込層、９…クラッド層、１０…コンタクト層、１１…ｐ電極、１２…ｎ電極、１７ａ，１７ｂ…端面、１８ａ，１８ｂ…無反射膜、１９…信号光、２０…光、２１ａ，２１ｂ…窓部

Claims

半導体基板（１）と、この半導体基板の上方に形成された多重量子井戸構造を含む活性層（１３）とを備え、一方の端面（１７ａ）から入射した光（１９）が、光の伝搬方向に沿って形成された前記活性層（１３）を含む光導波路を伝搬する過程で増幅されて、他方の端面（１７ｂ）から出射する半導体光増幅器において、
前記多重量子井戸構造は複数組の井戸層（１４）と障壁層（１５）とを有し、前記井戸層と障壁層のいずれか一方は引張り歪を有し、かつ前記障壁層の厚みは４ｎｍ以下に設定されていることを特徴とする半導体光増幅器。
前記井戸層（１４）は引張り歪を有し、前記障壁層（１５）は圧縮歪を有していることを特徴とする請求項１記載の半導体光増幅器。
前記各端面（１７ａ、１７ｂ）の少なくとも一方と前記活性層（１３）との間にして、前記端面（１７ａ、１７ｂ）付近で前記活性層が途切れることにより形成された窓部（２１ａ、２１ｂ）を有することを特徴とする請求項１又は２記載の半導体光増幅器。
前記活性層（１３）は前記各端面（１７ａ、１７ｂ）に対して傾斜して形成されたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の半導体光増幅器。