JP2003195237A

JP2003195237A - 半導体光機能デバイス

Info

Publication number: JP2003195237A
Application number: JP2001398175A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Suzuki; 信夫鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2003-07-09
Anticipated expiration: 2021-12-27
Also published as: JP3689038B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】低雑音の半導体光増幅器や、超高速でかつス
イッチング・エネルギーの低い非線形半導体光デバイス
を実現する。【解決手段】光導波路内に設けられた、第１の量子井
戸（光増幅領域）３７と第２の量子井戸（電子励起領
域）３８とが薄い障壁層３５により結合した単位結合量
子井戸構造３１が複数周期積層されてなる半導体積層構
造３に、第２の量子井戸３８のサブバンド間吸収帯域内
の波長の励起光を注入すると共に積層方向に電圧を印加
して電子を流すことで、第１の量子井戸３７に誘導放出
利得を生ぜしめ、信号光を増幅する。また、制御光によ
る光増幅領域の利得飽和や電子励起領域の吸収飽和を利
用して、信号光を超高速にスイッチングする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光信号の状態で所
定の処理を施す半導体光機能デバイスに係わり、特に半
導体光増幅器、ならびに超短光パルス信号により別の信
号光の強度，位相，或いは出力先等を制御する非線形光
半導体デバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】インターネットの普及等に伴う情報量の
急増により、基幹伝送系においては近い将来、毎秒数百
ギガ〜数十テラビットの大量の情報が光ファイバを飛び
交うものと予想されている。このような超大容量の光ネ
ットワークを実現するためには、高性能な光増幅器、１
Ｔｂ／ｓオーダーの超高速動作が可能な光スイッチング
素子、波長変換素子などの光機能デバイスが必要であ
る。

【０００３】光通信用の光増幅器としては、希土類をド
ープした光ファイバ増幅器やファイバ・ラマン増幅器が
あり、既に広く使われている。一方、光ＬＡＮや装置内
等の用途向けには、進行波型半導体光増幅器の導入も検
討されている。進行波型半導体光増幅器は、半導体レー
ザの端面に低反射コートを施して、高レベルの電流を注
入してもレーザ発振しないようにしたものであり、その
一端面から入射された光はバンド間の誘導放出利得を受
けて増幅されて出力される。進行波型半導体光増幅器
は、光ファイバ増幅器と比べて遙かに小型で消費電力も
小さい。また、希土類ドープの光ファイバ増幅器と比べ
て波長の自由度も大きい。

【０００４】しかし、利得帯域全体にわたって出力され
るＡＳＥ（Amplified SpontaneousEmission）雑音が信
号光対雑音比を悪化させることは、応用上の制約条件と
なっている。また、利得飽和レベルが低いため、十分な
出力を得られないという問題もあった。このため、半導
体光増幅器が光増幅素子として利用できる応用範囲は極
めて限定されていた。

【０００５】半導体光増幅器は、光増幅器としてよりも
むしろ、光スイッチ，波長変換素子等の非線形光デバイ
スとしての応用が期待されている。強い光パルスが入射
すれば利得飽和や屈折率の変調が起こるので、様々な非
線形光デバイスとして使用することができる。利得を有
する光増幅器を用いた非線形光デバイスは、スイッチン
グ・パワーが低く、高効率なのが特長である。しかし、
バンド間遷移に基づく利得変化はキャリア寿命により制
限されるので、応答速度は通常数十Ｇｂ／ｓ程度、アシ
スト光の注入など特殊な工夫をした場合でもせいぜい数
百Ｇｂ／ｓまでしか動作させることができなかった。

【０００６】一方、１Ｔｂ／ｓ級の超高速光スイッチン
グ素子の動作原理として、窒化物半導体のサブバンド間
遷移の可飽和吸収の利用が提案されている（例えば、特
開平８−１７９３８７公報、N. Suzuki and N. Iizuka,
Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 36, pp.
L1006-1008, 1997年）。サブバンド間の緩和時間はバ
ンド間の緩和時間（キャリア寿命）と比べて３桁程度高
速である。特に、窒化物半導体の量子井戸を用いれば、
光通信で重要な近赤外域でのサブバンド間遷移を実現で
きるうえ、ＬＯフォノンと電子の相互作用が大きいので
サブバンド間緩和時間をＩｎＧａＡｓ系と比べて一桁以
上速くできる。

【０００７】例えば、ＧａＮ系量子井戸におけるサブバ
ンド間緩和時間は、室温，光通信波長帯で２００〜４０
０ｆｓと短いので、そのサブバンド間吸収の飽和を利用
すれば、１Ｔｂ／ｓ程度の超高速繰り返しのビット・モ
ード光スイッチング動作も可能になる。また、半導体を
利用しているので、小型，軽量，安定な光スイッチを実
現でき、量産化が可能なことは言うまでもない。さら
に、窒化物半導体は特に強靭な半導体材料であり、温度
上昇に対しても強い。

【０００８】サブバンド間吸収は井戸に垂直な電界成分
に対して生じるから、基板面に垂直に光を入射する面型
光スイッチへの応用は困難であり、主として光導波型の
非線形光デバイスに応用される。光導波路型の非線形光
デバイスとして様々な形態が考えられるが、例えばサブ
バンド間吸収の飽和を利用した可飽和吸収光ゲート・ス
イッチの場合、吸収飽和を起さない程度のパルス・エネ
ルギーの信号光パルスと、吸収飽和を起す程度の大きな
パルス・エネルギーを有する制御光パルスが光導波路に
入射される。いずれのパルスも、サブバンド間吸収の生
じる波長範囲内にあるものとする。信号光パルスのみが
入射した場合は、信号光パルスは吸収されて出力されな
い。信号光パルスと制御光パルスが同時に入射した場合
は、制御光による可飽和吸収で信号光パルスに対する吸
収が減るため、信号光は出力される。

【０００９】このような光ゲート・スイッチで十分な消
光比（スイッチのＯＮ／ＯＦＦ比）を得るためには、Ｇ
ａＮ系の場合で最低数ｐＪオーダーの制御光パルス・エ
ネルギーが必要であり、これは１ＴＨｚでは数Ｗの平均
パワーに相当する。通常、制御光パルスもあるパターン
で変調された信号であり、このようなパワーに増幅する
のは困難である。

【００１０】信号光の波長を吸収帯域の端のほうに設定
すれば、制御光による可飽和吸収で位相が変調される光
位相変調素子として用いることもできる。この位相変調
素子を光干渉計の中に組み込むことで、干渉計型光ゲー
ト・スイッチや光路切り替えスイッチとして応用するこ
ともできる。また、吸収帯域内の二つの波長の光のビー
ト成分によるサブバンド間キャリア分布の変化を利用し
た四光波混合型の光スイッチや波長変換素子等にも応用
することが可能である。しかし、いずれの場合も強い制
御光や励起光が必要であることが、実用化を妨げる最大
の課題となっている。

【００１１】上記サブバンド間遷移の超高速性と半導体
光増幅器の高効率性を併せ持つ非線形光デバイスを実現
する方法として、サブバンド間遷移を用いた光増幅器を
利用することが考えられる。波長３μｍ以上の波長で
は、サブバンド間遷移を利用した半導体レーザとして、
量子カスケード・レーザ（ＱＣＬ）が知られている。Ｑ
ＣＬは、電子注入領域と活性領域からなる単位構造を複
数周期積層した活性層を光導波構造の中に設け、外部か
ら電圧を印加して活性層にキャリアを注入できるように
したものである。ＱＣＬについては、例えば、米国特許
第 5,457,709 号（発明者 Capasso et al.、出願日1997
年３月27日）などに開示されている。

【００１２】図１４に、ＱＣＬの活性層を構成する単位
構造１００の伝導帯バンド構造の例を示す。この単位構
造１００は電子注入領域１０１と活性領域１０２から構
成されており、電子注入領域１０１と活性領域１０２の
いずれも、ＩｎＧａＡｓ井戸層１０３とＡｌＧａＩｎＡ
ｓ障壁層１０４からなる量子井戸ないし超格子からな
る。電子注入領域１０１はチャープ半導体超格子層から
なり、図示のようなミニバンド１０５が形成されてい
る。活性領域１０２は通常、多重量子井戸層か半導体超
格子層からなるが、ここでは議論を単純化するために単
一の量子井戸で表した。この活性領域１０２には、基底
準位Ｅ₁、励起準位Ｅ₂の二つのサブバンドが形成され
ている。

【００１３】活性層には、電極やクラッド層を介して十
分な電界が印加されている。電子は、図の左側から電子
注入領域１０１のミニバンド１０５を介して、活性領域
１０２の励起準位Ｅ₂に注入される。活性領域１０２の
基底準位Ｅ₁から右側の電子注入領域１０１に排出され
る時定数とミニバンド１０５から励起準位Ｅ₂に電子が
注入される時定数のいずれもが、Ｅ₂からＥ₁に電子が
緩和する時定数より十分に短いので、十分な電流を流せ
ば活性領域１０２に反転分布を形成でき、誘導放出利得
を生じる。端面に高反射コーティング膜を施す等して共
振器を構成すれば、レーザ発振を得ることができる。

【００１４】原理的には、ＱＣＬの端面に低反射コート
を施してレーザ発振を抑制すれば、光増幅器として使用
できるはずであり、これを応用すれば、超高速かつ高効
率な非線形光半導体デバイスが実現できるはずである。
ＧａＮ／ＡｌＮ系，ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ系，Ｚ
ｎＳｅ／ＢｅＴｅ系などで、光通信に用いられる波長
１．３〜１．６μｍ帯でも近赤外波長のサブバンド間遷
移が実現されている。しかしながら、ＱＣＬやＱＣＬの
構造を利用した光増幅器を近赤外波長で実現すること
は、以下に示す理由により極めて困難であった。

【００１５】近赤外サブバンド間遷移を実現するための
障壁層は、障壁高さが高く有効質量も大きい傾向がある
ので、トンネリングによる結合が弱く、超格子を電子が
伝搬する時定数が長くなる。しかも、近赤外波長のサブ
バンド間遷移ではＥ₂のエネルギー・レベルが高くなる
ので、電子注入領域１０１のミニバンド１０５のエネル
ギー・レベルも活性領域１０２に接する領域で十分に高
くする必要がある。しかし、井戸層の厚さには１モノレ
ーヤの限界があり、この部分の井戸層の組成を障壁層の
組成に近づけない限り、このようなレベルを実現するこ
とはできない。

【００１６】障壁層材料に近い組成を持つ半導体層に
も、キャリア密度を上げられない、有効質量が大きい、
移動度が低い、等の不都合がある。さらに、ミニバンド
のレベルを左側の活性領域のＥ₁から右側の活性領域の
Ｅ₂まで持ち上げるためには、電子注入領域の層厚を厚
く（超格子を構成する井戸数を非常に多く）しなければ
ならない。このため、電子注入領域の電子輸送時間が長
くなり、Ｅ₂への電子注入時間とＥ₁からの電子排出時
間が短いという前提条件を満たさなくなってしまう。従
って、近赤外域では、サブバンド間の反転分布の形成は
非常に困難であった。

【００１７】また、単位構造一層当たりの電圧降下が大
きい（フォトン・エネルギー＋アルファの電圧降下が必
要なので、一単位構造あたり１Ｖ近い電圧降下になる）
ため、全体として非常に高い電圧が必要になる。さら
に、電子注入層の層厚が厚いということは、活性層にお
ける活性領域と導波光とのオーバーラップが小さくなる
ということを意味する。近赤外光は中赤外光より導波モ
ード径が小さくなるから、活性層の厚さをそれほど厚く
できない。従って、十分な利得を得るのに必要な単位構
造の積層数を確保することが困難になる。

【００１８】このように、ＱＣＬ構造を利用した光増幅
器では、近赤外域で十分な利得が得られず、非線形光半
導体デバイスとしても、所要の特性を得ることはできな
かった。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、バンド
間遷移を利用した従来技術の半導体光増幅器は、ＡＳＥ
雑音が大きく、利得飽和レベルが低いため、応用範囲が
極めて限定されていた。また、従来技術の半導体光増幅
器を用いた非線形光半導体デバイスでは、１Ｔｂ／ｓ級
以上の超高速動作が不可能であった。一方、ＧａＮなど
のサブバンド間遷移を利用した非線形光デバイスは、高
速・広帯域ではあるが、効率が低く、スイッチング・エ
ネルギーが大きいという課題があった。

【００２０】従来技術の組み合わせであるサブバンド間
遷移を利用した光増幅器では、近赤外域で十分な利得が
得られないという課題があり、非線形光半導体デバイス
としても超高速かつ高効率の特性を得ることはできなか
った。

【００２１】本発明は上記事情を考慮してなされたもの
で、その目的とするところは、低雑音で飽和レベルの大
きな半導体光増幅器や、超高速でかつスイッチング・エ
ネルギーの低い非線形半導体光デバイス等を実現するた
めの半導体光機能デバイスを提供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】（構成）上記課題を解決
するために本発明は、次のような構成を採用している。

【００２３】即ち、本発明の半導体光機能デバイスは、
少なくとも二つのサブバンドを有する第１の量子井戸
（光増幅領域）と、少なくとも二つのサブバンドを有し
かつそのサブバンド間エネルギー差が前記第１の量子井
戸のサブバンド間エネルギー差よりも大きな第２の量子
井戸（電子励起領域）と、の少なくとも二つの量子井戸
が薄い障壁層により結合した単位結合量子井戸構造が、
複数層周期的に積層されてなる半導体積層構造と、この
半導体積層構造を含む光導波構造と、前記半導体積層構
造に対しその積層方向に電圧を印加して前記単位結合量
子井戸構造の第１の量子井戸から第２の量子井戸に向か
う方向にキャリアを流す手段と、前記光導波構造の一端
側から光を入射する手段と、前記光導波構造の他端側か
ら光を出射する手段と、前記半導体積層構造に前記第２
の量子井戸のサブバンド間吸収帯域内の励起光を注入す
る手段と、を具備してなることを特徴とする。

【００２４】また、本発明の好ましい実施態様として、
以下のようなものがある。（１）半導体積層構造は、窒化物半導体により構成され
ていること。（２）光導波構造に入射する光は、第１の量子井戸のサ
ブバンド間遷移帯域内の信号光であること。これによ
り、半導体光増幅器を構成すること。（３）光導波構造に入射する光は、第１の量子井戸ない
し第２の量子井戸のサブバンド間遷移帯域内の信号光と
制御光であること。これにより、非線形光半導体デバイ
スを構成すること。（４）第１の量子井戸の基底準位は第２の量子井戸の基
底準位より、量子井戸を構成している材料のＬＯフォノ
ン・エネルギーに相当するエネルギーより高いレベルに
あること。（５）第１の量子井戸の基底準位と第２の量子井戸の基
底準位は強く結合しており、そのエネルギー差は３０ｍ
ｅＶ以上であること。（６）第１の量子井戸と第２の量子井戸のサブバンド間
遷移波長は、いずれも２μｍ以下であること。

【００２５】（７）第１の量子井戸は、第２の量子井戸
と反対側にステップ状ないし連続的な組成傾斜領域を有
すること。（８）第１の量子井戸の第２の量子井戸とは反対側に、
第１及び第２の量子井戸間の障壁層よりも薄い別の障壁
層を介して第３の量子井戸が設けられていること。（９）第２の量子井戸の励起準位は、キャリアの流れの
下流側に相当する隣接層とトンネリングにより結合した
擬似束縛準位であること。（10）単位結合量子井戸構造とこれに隣接する単位結合
量子井戸構造の間の層には１ＭＶ／ｃｍ以上の電界がか
かっていること。

【００２６】（11）励起光は連続光であること。（12）励起光はパルス光で、制御光や信号光の到達に先
立って入射されていること。（13）実施態様（12）において、励起光は光導波構造か
ら導入されること。（14）励起光は、光導波構造の側面から導入されるこ
と。

【００２７】なお、厳密には、結合量子井戸では第１の
量子井戸と第２の量子井戸の両方にまたがってサブバン
ドが形成される。ここでは議論を簡単化するために、第
１（第２）の量子井戸のキャリア存在確率が第２（第
１）の量子井戸のキャリア存在確率より大きなサブバン
ド（基底準位、励起準位）を「第１（第２）の量子井戸
のサブバンド（基底準位、励起準位）」と呼ぶことにす
る。また、第１（第２）の量子井戸が超格子構造である
場合は、「サブバンド」を「ミニバンド」と読み替える
ものとする。

【００２８】（作用）本発明の構成において、電圧が印
加され励起光が入射していない状態では、第２の量子井
戸の基底準位に大多数のキャリアが分布している。十分
な強度の励起光が入射すると、キャリアは第２の量子井
戸の励起準位に励起される。励起されたキャリアは、印
加電圧による電位降下により、短時間のうちに隣接する
単位結合量子井戸構造の第１の量子井戸の励起準位に注
入される。

【００２９】第１の量子井戸の励起準位は、第２の量子
井戸の励起準位より低いレベルにある。従って、第１の
量子井戸の励起準位の寿命は、ＬＯフォノンの放出を伴
う基底準位への緩和過程により支配されている。その緩
和レートは、波長２μｍ以下のサブバンド間遷移では、
第２の量子井戸の励起準位から第１の量子井戸の励起準
位への緩和レート、第１の量子井戸の基底準位から第２
の量子井戸の基底準位への緩和レート、のいずれよりも
小さい。

【００３０】従って、電圧印加でキャリアが注入され、
励起光による第２の量子井戸の励起レートが十分に大き
ければ、第１の量子井戸の励起準位の寿命が最も長くな
り、第１の量子井戸の基底準位と励起準位の間に反転分
布が形成される。その結果、第１の量子井戸のサブバン
ド間遷移エネルギーに相当する波長帯に誘導放出利得を
生じる。その波長帯域内の信号光が入射されれば増幅さ
れて出射される。単位結合量子井戸構造の数を増やし、
強い励起光を入射することで、飽和利得を増大させるこ
とができる。また、サブバンド間遷移では自発発光が殆
ど起こらないので、ＡＳＥ雑音の発生は無視でき極めて
低雑音である。（但し、励起光の雑音を拾うので、雑音
の小さな励起光が必要である。）サブバンド間遷移エネ
ルギーは井戸幅等に依存しているから、井戸構造の設計
を変えることにより、近赤外から中赤外域のいろいろな
波長の光増幅器を作製することができる。

【００３１】また、実施態様（３）のように非線形光デ
バイスとして動作させる場合における信号光と制御光の
波長については、動作のさせ方により様々な組み合わせ
が考えられる。

【００３２】例えば、制御光は光増幅領域の利得帯域内
でかつ電子励起領域の吸収帯域外にあり、信号光は光増
幅領域の利得帯域と電子励起領域の吸収帯域の重なった
波長範囲内にあるものとする。この場合、強い制御光パ
ルスが入射していない状態では、信号光パルスは光導波
構造を伝搬する際に利得と吸収の両者の影響を受ける。
利得の方が吸収より大きくなるように設定しておけば、
入力より大きな出力が得られる。光増幅領域の利得を飽
和させるのに十分なパルス・エネルギーを持つ制御光パ
ルスが信号光パルスに同期して光導波路を伝搬すると、
利得飽和により信号光の増幅が抑制されて吸収の方が大
きくなるため、信号光は光導波路伝搬に伴って減衰し、
出力されない。この場合は、符号が反転したインバータ
動作となる。

【００３３】波長配置を変更して利得と吸収の関係を反
転させれば、吸収飽和型の非反転動作にも適用できる。
この場合でも、制御光ないし信号光に対して光増幅領域
の利得が寄与するので、高効率化ないし低スイッチング
・エネルギー化が図れる。

【００３４】このように、制御光パルスの有無により信
号光パルスに対する光導波路の透過率を変化させること
ができる。或いは、この変化に伴って、信号光パルスの
位相を変化させることもできる。この変化に係わる現象
は全て高速であるから、超高速の光制御が実現される。
従来のサブバンド間遷移の可飽和吸収のみを利用した非
線形光半導体デバイスと異なり、制御光、信号光、或い
はその両方に対する利得があるため、高効率でスイッチ
ング・エネルギーも低減できる。

【００３５】なお、実施態様（１）の窒化物半導体にお
いては、サブバンド間緩和時間は近赤外波長域でも数百
ｆｓ、ＬＯフォノン・エネルギーに相当する近接サブバ
ンド間の緩和時間やサブバンド内緩和時間は数十ｆｓ以
内と短い。また、キャリア−キャリア散乱時間もＧａＡ
ｓ系などと比べて一桁短い数十ｆｓオーダーである。従
って、注入電流と励起光強度が十分に大きければ、光増
幅により励起準位のキャリアが不足してもすぐに近接準
位からキャリアが補充されるので、利得飽和レベルは高
い。また、単位量子井戸構造の数を増やすことにより、
利得飽和レベルを増大させることができる。但し、単位
量子井戸構造の数が多いほど、必要な印加電圧と励起光
強度は大きくなる。非線形光デバイスに応用した場合、
関連する緩和過程の時定数がいずれもサブピコ秒なの
で、毎秒１テラビット以上の超高速光スイッチを実現で
きる。

【００３６】実施態様（４）の場合は、第１の量子井戸
の基底準位にある電子は、ＬＯフォノン放出を伴って短
い時間（窒化物半導体で１００ｆｓ程度）の間に第２の
サブバンドの基底準位に緩和する。

【００３７】実施態様（５）のように二つの量子井戸が
強く結合している状態では、二つの基底サブバンドの包
絡線関数の二乗は、いずれも第１の量子井戸と第２の量
子井戸の両者にピークを有する。二つのサブバンドの電
子の位相差により、主として第１の量子井戸にキャリア
が存在する状態や第２の量子井戸にキャリアが存在する
状態が生じる。誘導放出により第１の量子井戸の励起サ
ブバンドから二つの基底サブバンドに落ちた瞬間にはキ
ャリアは第１の量子井戸に存在しているが、共鳴する二
つの準位のエネルギー差ΔＥで決まる量子ビートの周期
（ｈ／ΔＥ）の半分の時定数で第２のサブバンドの基底
準位に移動する。実際には、量子ビートは位相緩和時間
のオーダー（窒化物半導体で１０〜３０ｆｓ、ＡｓやＰ
を主要構成元素とする半導体で１００ｆｓオーダー）で
減衰するが、井戸間のキャリア移動速度はおおむねこの
時定数から見積もることができる。井戸間の結合が強
く、ΔＥが３０ｍｅＶ以上なら、この時定数は高々１０
０ｆｓである。

【００３８】第１の量子井戸の励起準位の寿命は、波長
が短いほど長くなる。従って、実施態様（６）のように
サブバンド間遷移波長が２μｍ以下なら、この寿命を他
の関係する時定数より長く設定すること、即ち反転分布
を形成することが容易になる。

【００３９】実施態様（７）のように、第１の量子井戸
の第２の量子井戸と反対側にステップ状ないし連続的な
組成傾斜領域（中間組成層）を設けることにより、容易
に第１の量子井戸のサブバンド間エネルギーを第２の量
子井戸のサブバンド間エネルギーより小さくすることが
できる。

【００４０】実施態様（８）の構造においても、第１の
量子井戸と第３の量子井戸は強く結合しているので、第
３の量子井戸の基底準位をオリジンとするサブバンド
が、第１の量子井戸と第３の量子井戸からなる結合量子
井戸の最低励起準位となる。そして、この結合量子井戸
を本来の第１の量子井戸とみなせば、容易に第１の量子
井戸（第１の量子井戸と第３の量子井戸からなる結合量
子井戸）のサブバンド間エネルギーを第２の量子井戸の
サブバンド間エネルギーより小さく設定することができ
る。

【００４１】実施態様（９）の如く第２の量子井戸の励
起準位がキャリアの流れの下流側に相当する隣接層とト
ンネリングにより結合した擬似束縛準位であれば、第２
の量子井戸の励起準位に励起されたキャリアを隣接する
下流側の単位結合量子井戸の第１の量子井戸の励起準位
に注入する時間を短縮できる。

【００４２】また、実施態様（10）のように単位結合量
子井戸構造とこれに隣接する単位結合量子井戸構造の間
の層に１ＭＶ／ｃｍ以上の電界がかかっていても、第２
の量子井戸の励起準位に励起されたキャリアを隣接する
下流側の単位結合量子井戸の第１の量子井戸の励起準位
に注入する時間を短縮できる。

【００４３】実施態様（11）のように、励起光がＣＷ光
であれば、時間変動の小さな安定動作が可能である。

【００４４】実施態様（12）のように、励起光がパルス
光であれば、励起光の平均パワーを小さく抑えることが
できる。但し、信号光パルスや制御光パルスが到着する
前に反転分布を形成するためには、励起光パルスが制御
光パルスや信号光パルスより先に到達していることが必
要である。励起光が前記制御光パルスと同期し、かつ制
御光パルスより幅の広い周期的な光パルスであれば、連
続的に励起する場合と比べて励起光の平均パワーを低く
抑えることができ、かつ制御光パルスや信号光パルス到
達時に十分な利得を得ることができる。

【００４５】励起光がパルス光の場合、実施態様（13）
のように励起光パルスが光導波路から導入されれば、パ
ルス幅を制御光パルスより少し広い程度に抑えることが
でき、効率的である。

【００４６】実施態様（14）のように、励起光を光導波
路の側面から導入する方法も考えられる。この場合は、
第２の量子井戸を光導波路の全体にわたってほぼ均一に
励起することが可能で、光導波路を長くして制御光パル
スと信号光パルスの相互作用長を長くすることができ
る。励起光は制御光パルスや信号光パルスが光導波路を
伝搬している間照射されていればよく、この条件を満た
せばパルス光であっても連続光であってもかまわない。

【００４７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によって説明する。

【００４８】（第１の実施形態）図１は、本発明の第１
の実施形態に係わる半導体光増幅器の主な構成要素を模
式的に示す斜視図である。この光半導体光増幅器２０
は、サファイア基板１（０００１）面上に積層された下
部窒化物半導体層２、この下部窒化物半導体層２上に窒
化物半導体からなる半導体積層構造３と上部窒化物半導
体層４が順に積層されたメサ状の光導波路５、下部窒化
物半導体層２上に前記光導波路５に接して形成されたポ
リイミド膜６、このポリイミド膜６と光導波路５の上に
形成され上部窒化物半導体層４と電気的に接続された上
部電極７、ならびに下部窒化物半導体層２に電気的に接
続された下部電極８などからなる。素子長は約４００μ
ｍである。

【００４９】窒化物半導体層２，３，４はウルツ鉱型
で、ここでは表面は III族極性面となっている。結晶成
長の条件によっては微小な極性反転ドメインが形成され
ることもあるが、III 族極性面が支配的である限り大き
な影響はない。なお、Ｖ族極性で作成した場合は、以下
の説明で電流，電界の向きを逆にすればよい。窒化物半
導体層にはこの他にも転位等の欠陥が多数存在するが、
本発明のようにサブバンド間遷移を利用したデバイスで
は、バンド間遷移を利用した発光デバイスにおける非発
光再結合センターのような致命的な影響はもたらさな
い。以下の説明では、量子井戸の大部分は±１モノレー
ヤ程度の揺らぎで作製されていることを前提とするが、
発明の作用・効果に本質的な影響をもたらさない上記の
ような結晶欠陥の存在は無視することとする。

【００５０】上部電極７には下部電極８に対して負の電
圧が印加され、その結果、上部電極７から光導波路５の
上部窒化物半導体層４，窒化物半導体積層構造３，下部
窒化物半導体層２を通って、下部電極８へと電子が流れ
る。

【００５１】光導波路５に入射される光９は、波長１．
４５μｍ帯の信号光である。光導波路５の他方の端から
は、出射光１０が取り出される。下部窒化物半導体層２
はスラブ光導波路となっており、図１の右側面から波長
０．９８μｍの低雑音の励起光１１が入射され、光導波
路５に導かれる。いずれの光も、サブバンド間遷移が許
容される基板（井戸層）に垂直な方向に偏波している。

【００５２】図２は、この半導体光増幅器２０の断面層
構造を模式的に示す図である。下部窒化物半導体層２
は、厚さ０．１５μｍのアンドープＡｌＮ層２２、厚さ
０．３μｍの第１のｎ型ＧａＮ層２３、および厚さ０．
０５μｍの第１のＡｌＧａＮ組成傾斜層２４からなる。
第１のＡｌＧａＮ組成傾斜層２４は、下から上に向かっ
てＧａＮに近い組成からＡｌＮに近い組成へとステップ
状に変化するように形成されている。第１のＡｌＧａＮ
組成傾斜層２４の上には、窒化物半導体積層構造３と上
部窒化物半導体層４がメサ状に積層されており、このメ
サ構造によりリッジ型の光導波路５が規定されている。
光導波路５のメサ幅は１．５μｍである。上部窒化物半
導体層４は、下から上に向かって組成がＡｌＮに近い組
成からＧａＮに近い組成へとステップ状に変化する厚さ
０．０５μｍの第２のＡｌＧａＮ組成傾斜層２５、及び
厚さ０．１μｍの第２のｎ型ＧａＮ層２６から構成され
る。ｎ型ＧａＮ層２３，２６には、Ｓｉが１×１０²⁰ｃ
ｍ^-3程度ドープされている。

【００５３】半導体積層構造３は、実質的に同じ構造
（結晶成長に起因する多少の変動は許容するものとす
る）の結合量子井戸構造３１が３０周期積層されてな
る。図３は、この結合量子井戸構造３１の三周期分の伝
導帯バンド構造を説明する図である。III 族極性では、
左側が表面側、右側が基板側である。なお、Ｖ族極性の
場合は、逆になる。この結合量子井戸構造３１は、二つ
の第１のアンドープＡｌＮ障壁層３２，３２Ｒの間に形
成された、厚さ約０．７５ｎｍのアンドープＡｌ_0.65Ｇ
ａ_0.35Ｎ井戸中間層３３、厚さ約０．７５ｎｍの第１の
ｎ型ＧａＮ井戸層３４、厚さ約１ｎｍの第２のアンドー
プＡｌＮ障壁層３５、及び厚さ約１ｎｍの第２のｎ型Ｇ
ａＮ井戸層３６からなる。第１のアンドープＡｌＮ障壁
層３２の厚さは１．８ｎｍで、一周期の厚さは５．３ｎ
ｍである。ｎ型ＧａＮ井戸層３４，３６には、Ｓｉが５
×１０¹⁹ｃｍ^-3程度ドープされている。

【００５４】左側の第１のアンドープＡｌＮ障壁層３
２、アンドープＡｌ_0.65Ｇａ_0.35Ｎ井戸中間層３３、第
１のｎ型ＧａＮ井戸層３４、及び第２のアンドープＡｌ
Ｎ障壁層３５からなる第１の量子井戸３７は、光増幅領
域として働く。第２のアンドープＡｌＮ障壁層３５、第
２のｎ型ＧａＮ井戸層３６、及び右側の第１のアンドー
プＡｌＮ障壁層３２Ｒからなる第２の量子井戸３８は、
電子励起領域として働く。第１のアンドープＡｌＮ障壁
層３２Ｒは、左側の結合量子井戸構造３１から右側の隣
接する結合量子井戸構造３１Ｒへ電子を注入するための
電子注入領域としても機能する。

【００５５】主面が（０００１）面のウルツ鉱型窒化物
半導体ヘテロ構造には、ピエゾ電気効果と自発分極によ
り大きな電界が生じる。この電界は、ＡｌＮとＧａＮで
逆向きである。さらに、上部電極７と下部電極８の間に
外部から電圧が印加され、第１の量子井戸３７と第２の
量子井戸３８のそれぞれの第１サブバンドＥ₂，Ｅ₁が
適度に結合するように調整されているものとする。この
とき、ＡｌＮ障壁層３２，３５、Ａｌ_0.65Ｇａ_0.35Ｎ井
戸中間層３３、及びｎ型ＧａＮ井戸層３４，３６にかか
っている電界は、それぞれ約−４．８５ＭＶ／ｃｍ，約
−１ＭＶ／ｃｍ，約６．１５ＭＶ／ｃｍとなっている。

【００５６】全体としては、図３の左側の結合量子井戸
ほど電子に対するポテンシャルが高く、電子は図の左側
から右側へ向かって流れる。結合量子井戸３１の一周期
当たりの電圧降下は約０．３５Ｖで、３０周期で約１０
Ｖの電圧降下になる。

【００５７】図３には、この結合量子井戸構造３１に形
成されるサブバンドＥ₁，Ｅ₂，Ｅ ₃，Ｅ₄と、そのそ
れぞれの包絡線関数の二乗の形状を模式的に示してあ
る。サブバンドＥ₁とサブバンドＥ₂は強く結合してお
り、いずれも二つの量子井戸３７，３８にほぼ等確率で
電子が分布する基底準位である（以後、Ｅ₁とＥ₂をま
とめて、第１の量子井戸と第２の量子井戸の共通の「基
底準位」と考える。）。サブバンドＥ₁とＥ₂のエネル
ギー差は約３０ｍｅＶ（場所による不均一性で多少の変
動はある）であり、その量子ビートの周期は約１４０ｆ
ｓである。サブバンドＥ₃は、主として第１の量子井戸
に束縛された励起準位（以後、「第１の量子井戸の励起
準位」と呼ぶ。）である。サブバンドＥ₄は、主として
第２の量子井戸に弱く束縛された励起準位（以後、「第
２の量子井戸の励起準位」と呼ぶ。）で、右側の第１の
アンドープＡｌＮ障壁層３２の三次元量子状態とトンネ
リングにより結合している。

【００５８】基底準位Ｅ₁，Ｅ₂と第１の量子井戸の励
起準位Ｅ₃との間の遷移波長は約１．１μｍ、基底準位
Ｅ₁，Ｅ₂と第２の量子井戸の励起準位Ｅ₄との間の遷
移波長は約１．４１μｍである。（ヘテロ界面の組成変
化が急峻とした仮定した場合の遷移波長の計算値は、そ
れぞれ約１μｍと約１．３μｍであるが、井戸層厚が薄
い量子井戸では界面の組成ゆらぎの影響で計算値より長
めの波長になる傾向がある。）各サブバンド間の遷移エ
ネルギーは、膜厚の揺らぎ等により場所により若干の変
動があり、これは吸収スペクトル幅を広げる原因とな
る。

【００５９】本実施形態では、第２のｎ型ＧａＮ層２６
から半導体積層構造３の最初（図１、図２では上端、図
３では左端に相当）の結合量子井戸層３１への電子の注
入は、第２のＡｌＧａＮ組成傾斜層２５の組成傾斜と電
界によるポテンシャルの傾斜により実現されている。も
ちろん、第２のＡｌＧａＮ組成傾斜層２５を用いる代わ
りに、その基底サブバンド（Ｅ₁に相当）が隣接するｎ
型ＧａＮ層２６と結合した第２の量子井戸と類似構造の
量子井戸を設けて、励起光により基底サブバンドの電子
をその励起サブバンド（第２の量子井戸のＥ₄に相当）
に励起することによっても、電子の注入が可能である。

【００６０】図３右端の結合量子井戸構造の励起準位Ｅ
₄はｎ型ＧａＮ層２３より電子に対するポテンシャルが
高いので、電子注入の観点からは第１のＡｌＧａＮ組成
傾斜層２４は不要である。本実施形態では、第１のＡｌ
ＧａＮ組成傾斜層２４は、励起光を導波するスラブ光導
波路のクラッドとして作用する。

【００６１】電界により左側の第１のアンドープＡｌＮ
障壁層３２から第１の量子井戸３７に注入された電子
は、励起準位Ｅ₃に捕獲される。励起準位Ｅ₃から基底
準位Ｅ ₁及びＥ₂へのＬＯフォノン放出を伴う緩和時間
は約５００ｆｓである。Ｅ₁とＥ₂の包絡線関数の二乗
はほぼおなじ形状なので、Ｅ₁とＥ₂にほぼ等確率で緩
和する。Ｅ₁とＥ₂の干渉で電子は二つの量子井戸を行
ったり来たりする、いわゆる量子ビートを生じる。Ｅ₁
とＥ₂のエネルギー差ΔＥが３０ｍｅＶのときの量子ビ
ートの周期（ｈ／ΔＥ、但しｈはプランクの定数）は約
１４０ｆｓなので、第１の量子井戸３７で緩和した電子
は、７０ｆｓ後には殆ど第２の量子井戸３８に移動して
いる。

【００６２】この電子は、スラブ光導波路を介して光導
波路５へ導入された励起光により、直ちに第２の量子井
戸の励起準位Ｅ₄に励起される。励起準位Ｅ₄は右側の
第１のアンドープＡｌＮ障壁層３２Ｒの三次元量子状態
と結合している。励起準位Ｅ ₄に対する実効的な障壁は
低いので、励起された電子は１００ｆｓ位の間に第１の
アンドープＡｌＮ障壁層３２Ｒに逃げ出し、強い電界に
より右側の隣接する結合量子井戸３１Ｒの第１の量子井
戸３７Ｒの励起準位Ｅ₃に注入される。

【００６３】励起準位Ｅ₄に励起された電子の一部は第
１の量子井戸３７の励起準位Ｅ₃に緩和する。また、第
１のアンドープＡｌＮ障壁層３２から注入された電子の
一部は直接第２の量子井戸３８の励起準位Ｅ₄に捕獲さ
れる。しかし、半導体積層構造３のトータル厚さ（３０
周期で１５９ｎｍ）が導波モード・サイズ（〜μｍ）に
比べて十分薄いので、結合量子井戸構造毎の光強度の差
異は小さく、それぞれの結合量子井戸構造３１における
電子の動きはバランスしている。従って、全体として電
子は左側の結合量子井戸構造から右側の結合量子井戸構
造へと流れ、特定の結合量子井戸構造に電子が蓄積した
り空乏化したりすることはない。

【００６４】十分に強い励起光が入射している場合、基
底準位Ｅ₁，Ｅ₂から励起準位Ｅ₄に電子が励起される
レートと、右側の第１の量子井戸３７Ｒの励起準位Ｅ₃
に電子が注入されるレートは、いずれも励起準位Ｅ３か
ら基底準位Ｅ₁，Ｅ₂へ電子が緩和するレートより大き
い。従って、励起準位Ｅ₃の電子密度の方が基底準位Ｅ
₁，Ｅ₂の電子密度より大きい反転分布の状態が作り出
される。この結果、第１の量子井戸（光増幅領域）３７
では波長１．４μｍ付近に利得を生じる。第２の量子井
戸（電子励起領域）３８の光吸収は、励起光により部分
的に吸収が飽和した状態になる。

【００６５】図４は、光増幅領域３７の利得スペクト
ル、励起光が入射した際の電子励起領域３８の吸収スペ
クトル、ならびに入射光９，１１の波長配置の関係を説
明する図である。励起光は電子励起領域３８で吸収され
るが、光増幅領域３７では吸収されない。信号光は、電
子励起領域３８の吸収を殆ど受けず、光増幅領域３７の
利得により増幅される。励起光パワーと注入電流が十分
に大きく、入力信号光のレベルが十分に低ければ、利得
飽和は生じない。サブバンド間遷移では自発発光確率が
極めて低いので、ＡＳＥ雑音の発生は無視でき、極めて
低雑音の光増幅が実現される。

【００６６】光励起を利用して、各結合量子井戸３１に
おける電圧降下を小さく抑えているので、印加電圧を比
較的小さく抑えることができる。（仮に光励起を行わな
い量子カスケード・レーザと類似の構造でこのような機
能を実現することができたとしても、所要電圧は３倍以
上になってしまう。）量子カスケード・レーザ類似構造
と比べて一周期の厚さを薄くできるので、導波モードの
光電界とのオーバーラップも大きく、厚さ方向の光強度
の不均一の影響も小さく、効率的である。

【００６７】本実施形態の半導体光増幅器は、様々な変
形が可能である。例えば、信号光パワーが増大している
出射端側で利得飽和を生じさせないために、出射端側で
励起光パワーが大きくなるように調整しておいてもよ
い。或いは、側面からの入射１１に加えて出射端側から
も励起光を注入するという使い方もできる。信号光がパ
ルス光の場合は、励起光を信号光パルスに同期したパル
ス光として、励起光の平均パワーを低減することができ
る。この場合、光導波路５を伝搬するパルス信号光を完
全にカバーするタイミングで励起光パルスを入射する必
要がある。井戸幅等の設計を変更すれば、励起光波長や
信号光波長を変更することも可能である。

【００６８】（第２の実施形態）第１の実施形態の半導
体光増幅器は、そのまま非線形半導体光デバイス（利得
飽和形光ゲート・スイッチ）として用いることができ
る。入力光を除けば、各部の構造，バンド構造，機能等
は第１の実施形態の半導体光増幅器と同じなので、その
構成の説明は省略する。

【００６９】第２の実施形態における非線形半導体光デ
バイスの光導波路５に入射される光９は、波長１．４８
μｍ，パルス幅約２００ｆｓ，繰り返し１６０Ｇｂ／ｓ
の制御光パルスと、波長１．３μｍ，パルス幅約１００
ｆｓ，繰り返し１６０Ｇｂ／ｓの信号光パルスである。
下部窒化物半導体層２はスラブ光導波路となっており、
図１の右側面から波長０．９８μｍ，幅約３ｐｓ，繰り
返し１６０ＧＨｚの励起光パルス１１が入射され、光導
波路５に導かれる。いずれの光も、サブバンド間遷移が
許容される基板（井戸層）に垂直な方向に偏波してい
る。

【００７０】光導波路５に制御光パルスが入力されず、
十分に強い励起光強度が入射している場合、基底準位Ｅ
₁，Ｅ₂から励起準位Ｅ₄に電子が励起されるレート
と、右側の第１の量子井戸３７Ｒの励起準位Ｅ₃に電子
が注入されるレートは、いずれも励起準位Ｅ₃から基底
準位Ｅ₁，Ｅ₂へ電子が緩和するレートより大きい。従
って、励起準位Ｅ₃の電子密度の方が基底準位Ｅ₁，Ｅ
₂の電子密度より大きい反転分布の状態が作り出され
る。この結果、第１の量子井戸（光増幅領域）３７では
波長１．４μｍ付近に利得を生じる。第２の量子井戸
（電子励起領域）３８の光吸収は、励起光により部分的
に吸収が飽和した状態になる。

【００７１】この非線形光半導体デバイスは１６０Ｇｂ
／ｓで動作する。制御光パルスは、信号光パルスに重な
るようなタイミングで入射される。励起光パルスは、光
導波路５のどの位置においても制御光パルスに重なるよ
うなタイミングで入射される。励起光のパルス幅は３ｐ
ｓであり、長さ４００μｍの光導波路５を信号光パルス
と制御光パルスが伝搬する時間（約２．８ｐｓ）より広
い。制御光パルスと信号光パルスは変調されているが、
励起光パルスは６．２５ｐｓ毎に周期的に入射される。

【００７２】図５は、光増幅領域３７の利得スペクト
ル、励起光が入射した際の電子励起領域３８の吸収スペ
クトル、ならびに入射光９，１１の波長配置の関係を説
明する図である。励起光は電子励起領域３８で吸収され
るが、光増幅領域３７では吸収されない。制御光パルス
は、電子励起領域３８の吸収を殆ど受けない。入射端近
傍で制御光パルスのフロント・エッジが増幅されるが、
利得飽和のため制御光パルスの後ろ側は、殆ど増幅され
ないか、減衰する。従って、光導波路５を伝搬するにつ
れて制御光のパルス幅は狭まり、スペクトルも広がる。
しかし、どの位置においても制御光パルスのフロント・
エッジは増幅されるので、制御光パルスは全体としては
増幅を受けて光導波路５の奥の方まで伝播する。また、
それに続く利得飽和の影響は、隣接する左側の結合量子
井戸構造からＥ₃に電子が供給される時定数と量子ビー
トと励起光により第１の量子井戸の基底準位から電子が
排出される時定数のオーダー（いずれも１００ｆｓ前
後）だけ継続する。従って、光導波路５全体で信号光パ
ルスに対する利得を飽和させることができる。

【００７３】制御光パルスがない場合、信号光パルスは
光増幅領域３７の利得と電子励起領域３８の損失の両方
の影響を受けるが、前者の方が大きいので増幅されて出
射する。増幅率は、注入電流と励起光の強度に強く依存
する。高効率の増幅を実現するためには、注入電流と励
起光のレベルをうまくバランスさせる必要がある。但
し、バンド間遷移を利用した光増幅器と異なり、サブバ
ンド間遷移では自発発光が殆ど起こらないので、利得ス
ペクトル帯域内のＡＳＥ雑音は無視できる。

【００７４】一方、制御光パルスが入射された場合、Ｅ
₃に溜まっていた電子が基底準位Ｅ ₁，Ｅ₂に落ちるこ
とで光増幅が行われるので、光増幅領域３７の利得は飽
和する。制御光パルスが強い場合は、瞬間的には損失側
に振り込まれるが、平均的には利得の小さな状態にな
る。従って、光増幅領域３７のトランジェントな吸収や
電子励起領域３８の吸収により信号光パルスは光導波路
５を伝搬する間に吸収され、光導波路５から出力されな
い。

【００７５】本実施形態の非線形光半導体デバイスによ
れば、制御光パルスは少なくともフロント・エッジが増
幅されるので、可飽和吸収を用いた光ゲートと比べて一
桁以上小さいパルス・エネルギー（＜１ｐＪ）でスイッ
チングが可能になる（符合は反転するので、インバータ
動作となる。）。制御光パルスがない場合、信号光パル
スは入力より増幅されて出力され、しかもＡＳＥ雑音の
付加がない。（制御光のスペクトルが広がるので、制御
光パルスのクロストークを避けるために、制御光と信号
光の波長はある程度離しておく必要がある。）信号光パ
ルスは制御光の有無に応じて利得または損失を受けるの
で、デバイス長が短くても消光比を大きくとれる。ま
た、時定数が１００ｆｓオーダーの高速現象のみ利用し
ているので、高速性も損なわれない。

【００７６】図６は、側面から均一に励起光を注入する
ために０．９８μｍ帯の歪ＩｎＧａＡｓパルス光源５０
を集積化した構成の例である。このパルス光源５０は、
モード同期レーザ５１とテーパ型光増幅器５２を集積化
したものである。モード同期レーザ５１は、利得領域５
３，可飽和吸収領域５４，チューニング領域５５等から
構成される。それぞれの領域には電極５６が形成され、
裏面には共通電極が形成されている。後ろ側の端面から
サブハーモニック・シンクロナス・モード同期のための
同期光を入射することができるようになっており、制御
光パルスや信号光パルスに同期した励起光パルスを出力
することができる。

【００７７】この図の例ではパルス光源５０は光導波路
５と垂直に配置されているが、光導波路５におけるパル
ス伝播遅延を考慮して、光導波路５の入射端側ほど励起
光パルスが早く到着するように傾斜させて配置させるこ
とも可能である。また、モード同期レーザ５１と光増幅
器５２の間に光分岐部を設け、分岐ごとに遅延量の異な
る光遅延導波路と光増幅器を設け、複数の光増幅器から
光導波路５の入射端側ほど早く励起光パルスが出射する
ように構成することもできる。

【００７８】本実施例は、そのほかにも発明の趣旨を逸
脱しない範囲で様々な変形、応用が可能である。

【００７９】（第３の実施形態）図７は、本発明の第３
の実施形態に係わる、非線形光半導体デバイス７４を用
いたマッハツェンダ干渉計型超高速光分岐スイッチの主
な構成を示す模式図である。ここに用いられている非線
形光半導体デバイス７４の構成は、前記図１、図２に示
した第１の実施形態の半導体光増幅器２０の構成と同様
なので、図を用いた詳細な説明は省略する。但し、側面
からの励起光の注入はない。層構造は若干異なるが、そ
の詳細は後で説明する。

【００８０】このマッハツェンダ干渉計型光スイッチ
は、石英光導波路６１上に受動光導波路６２により接続
された光素子が集積化されてなる。光入出力ポートとし
て、信号光入力ポート６３、励起光・制御光入力ポート
６４、第１の信号光出力ポート６５、第２の信号光出力
ポート６６、励起光・制御光出力ポート６７の五つがあ
る。信号光入力ポート６３からは、波長１．３５μｍ，
パルス幅１００ｆｓ，繰り返し１Ｔｂ／ｓの信号光パル
スが入力される。制御光入力ポート６４からは、波長
１．５５μｍ，パルス幅２００ｆｓ，繰り返し１Ｔｂ／
ｓの制御光パルスと、波長１．２μｍ，パルス幅５００
ｆｓ，繰り返し１ＴＨｚの励起光パルスとが、ほぼ同時
に入射される。制御光パルスは信号光パルスに重なるよ
うなタイミングで入射するように設定されている。励起
光パルスは、制御光パルスと信号光パルスに重なるよ
う、かつ制御光パルスより早いタイミングで入射され
る。制御光パルスと信号光パルスは変調されている。励
起光パルスは周期的なクロック・パルスである。

【００８１】信号光入力ポート６３から入力された信号
光パルスは、光カプラ６８により所定の分岐比で第１の
分岐７１と第２の分岐７２に分割される。第１の分岐７
１に分岐した信号光パルスは、波長カプラ７３により制
御光入力ポート６４から入力された制御光パルスと合波
され、非線形光半導体デバイス７４に導かれる。

【００８２】非線形光半導体デバイス７４は、所定のパ
ワーの制御光パルスが入力されたときに、信号光パルス
の透過率を殆ど変化させずに位相がπシフトするように
設計されている。その動作については後述する。

【００８３】非線形光半導体デバイス７４を出力された
信号光パルスは、波長カプラ７５により制御光パルスや
励起光パルスと分離され（励起光パルスは殆ど透過しな
い）、１：１光カプラ６９において第２の分岐７２を通
ってきた参照光パルスと干渉させられる。二つの分岐７
１，７２の光路長は、信号光パルスの伝搬遅延が同じに
なるように設定されている。入力側の光カプラ６８の分
岐比は、１：１光カプラ６９において二つのパルス強度
が概ねバランスするように設定されているが、第２の分
岐７２に設けられた光強度変調器７６により微調整がで
きるようになっている。第２の分岐７２に設けられた光
位相変調器７７は、制御光パルスが入射されていない状
態で信号光パルスが第１の信号光出力ポートのみから出
力されるように調整されており、制御光パルスにより信
号光パルスがπシフトを受けた場合は第２の信号光出力
ポート６６から出力される。

【００８４】波長カプラ７５で分離された制御光パルス
は制御光出力ポート６７から出力される。分離しきれず
に信号光出力ポートに出力される制御光波長の漏れ成分
は、波長フィルタにより除くことが可能である。

【００８５】非線形光半導体デバイス７４の非線形光半
導体層（第１の実施形態の半導体積層構造３に相当）
は、実質的に同じ構造の結合量子井戸構造８１が１０周
期積層されてなる。図８は、この結合量子井戸構造８１
の三周期分の伝導帯バンド構造を説明する図である。こ
の結合量子井戸構造８１は、二つの第１のアンドープＡ
ｌＮ障壁層８２，８２Ｒの間に形成された、厚さ約０．
７５ｎｍのアンドープＡｌ_0.65Ｇａ_0.35Ｎ井戸中間層８
３、厚さ約０．７５ｎｍの第１のｎ型ＧａＮ井戸層８
４、厚さ約０．７５ｎｍの第２のアンドープＡｌＮ障壁
層８５、及び厚さ約１ｎｍの第２のｎ型ＧａＮ井戸層８
６からなる。第１のアンドープＡｌＮ障壁層８２の厚さ
は１．２５ｎｍである。ｎ型ＧａＮ井戸層８４，８６に
は、Ｓｉが５×１０¹⁹ｃｍ^-3程度ドープされている。一
周期の厚さは４．５ｎｍで、１０周期の合計厚は４５ｎ
ｍである。

【００８６】左側の第１のアンドープＡｌＮ障壁層から
第２のアンドープＡｌＮ障壁層までの層８２，８３，８
４，８５が光増幅領域として働く第１の量子井戸８７を
構成しており、第２のアンドープＡｌＮ障壁層から右側
の第１のアンドープＡｌＮ障壁層までの層８５，８６，
８２Ｒが電子励起領域として働く第２の量子井戸８８を
構成している。第１のアンドープＡｌＮ障壁層３２は、
電子注入領域としても機能する。ＡｌＮ障壁層８２，８
５、Ａｌ_0.65Ｇａ_0.35Ｎ井戸中間層８３、及びｎ型Ｇａ
Ｎ井戸層８４，８６にかかっている電界は、それぞれ約
−５．９ＭＶ／ｃｍ，約−２．０５ＭＶ／ｃｍ，約５．
１ＭＶ／ｃｍである。結合量子井戸８１一周期当たりの
電圧降下は約０．４４Ｖで、１０周期で約４．４Ｖの電
圧降下になる。

【００８７】本実施形態が第１の実施形態と異なる点
は、第１の量子井戸８７と第２の量子井戸８８のそれぞ
れの基底準位Ｅ₂，Ｅ₁のエネルギー差ΔＥが８９ｍｅ
Ｖと、ＬＯフォノンのエネルギーに共鳴するように設定
されている点である。サブバンドＥ₂とＥ₃は主に第１
の量子井戸８７に束縛されており、サブバンドＥ₁とＥ
₄は主に第２の量子井戸８８に束縛されている。第１の
実施形態の結合量子井戸構造３１と比べて第２のＡｌＮ
障壁層８５が薄いので、基底準位Ｅ₁，Ｅ₂、励起準位
Ｅ₃，Ｅ₄のいずれも、もう一方の量子井戸にもかなり
の存在確率を有している。

【００８８】励起準位Ｅ₃から基底準位Ｅ₂へのＬＯフ
ォノン放出を伴う緩和時間は約５００ｆｓである。第１
の量子井戸８７の励起準位Ｅ₃から基底準位Ｅ₂に緩
和、或いは発光により遷移した電子は、１０ｆｓ程度の
時間でＬＯフォノンを１個放出して第２の量子井戸８８
の基底準位Ｅ₁に緩和する。量子ビートを利用した第１
の実施形態の結合量子井戸構造３１では、励起光により
Ｅ₄に励起しきれなかった電子がさらに７０ｆｓ後に第
１の量子井戸３７に戻ってしまう恐れもあったが、本実
施形態の結合量子井戸構造８１では、このような恐れも
ない。８９ｍｅＶのエネルギー差は熱エネルギーより大
きいので、熱的に電子がＥ₂に戻る確率も低い。従っ
て、第１の実施形態の結合量子井戸構造３１と比べて、
Ｅ₂からの電子の排出が高速化され、Ｅ₂，Ｅ₃間の反
転分布がさらに形成されやすくなる。その他の点では、
結合量子井戸構造８１の作用は概ね第１の実施形態の結
合量子井戸構造３１と同様なので、説明を省略する。

【００８９】励起光パルスが入射する前は、電子は大部
分がＥ１に溜まっており、電流は殆ど流れない。励起光
パルスが入射されると、Ｅ₁に溜まっていた電子の半数
以上はＥ₄を介してＥ₃に移動する。励起光パルスを制
御光パルスより少し早く入射することにより、制御光パ
ルスが到着する前に反転分布が形成される。本実施例で
は、励起光パルスが制御光パルスや信号光パルスと同時
に伝搬するので、励起光のパルス幅を短くできる。この
結果、励起光を側面から入射した場合より、繰り返し動
作速度を上げることができる。但し、光導波路全体に励
起光を伝搬させるため、強い励起が必要である。

【００９０】図９は、光増幅領域８７で十分な利得が得
られるレベルの電流が注入され、励起光パルスが入射さ
れた直後の、光増幅領域８７の利得、電子励起領域８８
の吸収、及び入射光の波長配置の関係を説明する図であ
る。光増幅領域８７の利得ピーク波長は１．４５μｍ、
電子励起領域８８の吸収ピーク波長は１．２５μｍであ
る。第１の実施形態と比べてＥ₄の閉じ込めが弱いた
め、電子励起領域８８の吸収スペクトル幅が、第１の実
施形態の場合（図４、図５）と比べて広くなっている。
制御光パルスがない場合、信号光パルスは光増幅領域８
７の利得と電子励起領域８８の損失がほぼバランスして
いるので、入力とほぼ同じパワーで出力される。電子励
起領域８８の励起準位は閉じ込めが弱いので、スペクト
ルも広くなっている。このため、制御光パルスが入射さ
れると、光増幅領域８７の利得飽和と電子励起領域８８
の吸収飽和が同時に生じる。その結果、信号光パルスに
対する利得も損失も小さくなり、やはり入力とほぼ同じ
パワーで出力される。制御光波長には正味の利得がある
ので、サブバンド間吸収を用いた従来の可飽和吸収光ゲ
ートと比べて小さいパルス・エネルギーでスイッチング
を行うことができる。

【００９１】図１０は、励起光が入射された場合の屈折
率変化の波長依存性を説明する図である。制御光パルス
が入射されると、光増幅領域においても電子励起領域に
おいても信号光波長で屈折率が減少するので、大きな位
相シフトが得られる。以上の結果、制御光パルスの入射
により、信号光パルスの強度を大きく変化させずに位相
をπシフトできるので、前述の図６の干渉計型の構成に
おいて、信号光出力ポートの高速かつ高消光比でスイッ
チングできる。もちろん、単独で光制御型の光位相変調
器として用いることもできる。

【００９２】本発明の第３の実施形態の非線形光半導体
デバイスは、様々な変形，応用が可能である。例えば、
図１１は、図８における中間層８３を第３のＧａＮ井戸
層８９で置き換えた構造である。同じ機能を有する部分
には同じ番号を付した。第１の井戸層８４と第３の井戸
層８９は第２の障壁層８５よりも薄い第３の障壁層８５
ｂを介して強く結合しており、第１の井戸層８４と第３
の井戸層８９と第３の障壁層８５ｂからなる結合量子井
戸構造が第１の量子井戸（光増幅領域）として機能す
る。図１１には各サブバンドの包絡線関数の二乗もプロ
ットしたが、図８の場合とほぼ同じであり、全く同様に
機能する。この構造では、中間組成を用いないので、結
晶成長が容易になる。

【００９３】また、光増幅領域を単一量子井戸ではな
く、超格子としてもよい。この場合、これまでの説明中
のＥ₂，Ｅ₃をサブバンドのレベルではなくエネルギー
に幅を持ったミニバンドのレベルと読みかえればよい。
同様に、電子励起領域も超格子で構成してもよい。この
場合も同様に、Ｅ₁，Ｅ₄をミニバンドのレベルと読み
かえればよい。或いは、電子励起領域を複数の量子井戸
で構成してもよい。

【００９４】図１２は、二個の量子井戸が結合した電子
励起領域を有する変形例の、単位結合量子井戸構造９０
の２周期分の伝導帯バンド構造を模式的に示した図であ
る。この単位結合量子井戸構造９０は、電子注入領域９
１，光増幅領域９２，及び電子励起領域９３からなる。
光増幅領域９２は、上流側に２段の組成中間層を有する
第１の量子井戸９４からなる。電子励起領域９３は、ほ
ぼ同じ構造の第２の量子井戸９５と第３の量子井戸９６
からなる。

【００９５】図１２では、サブバンドのエネルギー・レ
ベルは、電子の存在確率が高い部分のみ太線で表してあ
る。第１の量子井戸９４の基底準位Ｅ₂と第２の量子井
戸９５の基底準位Ｅ’₁のエネルギー差、第２の量子井
戸９５の基底準位Ｅ’₁と第３の量子井戸９６の基底準
位Ｅ₁のエネルギー差、及び第２の量子井戸９５の励起
準位Ｅ’₄と第３の量子井戸９６の励起準位Ｅ₄のエネ
ルギー差は、いずれもほぼＬＯフォノンのエネルギーに
等しくなるように設定されている。従って、発光ないし
緩和によりＥ₃からＥ’₁に落ちた電子は、短い時間の
間に緩和と励起光の吸収によりＥ₁ないしＥ’₄、及び
Ｅ₄と電子注入領域９１を経て、下流側の光増幅領域９
２の励起準位Ｅ₃に輸送される。この構成では、Ｅ₂か
らの電子の排出が図８の場合よりさらに容易になる。ま
た、第１の量子井戸の組成中間層も２段になっているた
め、Ｅ₃への電子の注入効率も高くできる。

【００９６】図１３は、励起光，制御光，信号光の波長
配置を変えて非反転の可飽和吸収ゲートに応用した例で
ある。励起光パルスは光増幅領域８７による増幅も受け
るので、光導波路の奥の方までレベルを殆ど変えずに伝
播することができる。励起光パルスのため、光増幅領域
８７の利得も電子励起領域８８の吸収も部分的に飽和し
た状態になっている。この状態にさらに強くてパルス幅
の狭い制御光パルスが入射すると、光増幅領域８７の利
得も電子励起領域８８の吸収も完全に飽和する。信号光
パルスは電子励起領域８８の吸収帯域内にあるが、光増
幅領域８７の利得帯域から外れた波長にある。従って、
制御光パルスがなければ吸収され、制御光パルスにより
吸収が飽和すれば透過する。

【００９７】このケースでは、非線形光学動作は主とし
て従来型の吸収飽和により実現されており、光増幅領域
は制御光パルスの損失補償を主目的として使われてい
る。制御光パルスは光増幅領域８７の利得と電子励起領
域８８の吸収の平衡により、あまりパルス・エネルギー
や波形を変化させずに光導波路を伝搬することができ
る。この効果に加え、励起光パルスによりある程度吸収
飽和が起こりかけていることも相俟って、スイッチング
に必要な制御光パルス・エネルギーを低く抑えることが
できる。また、光導波路が長くても制御光パルスを伝搬
させることができるので、信号光出力の消光比を高める
ことができる。

【００９８】或いは、信号光パルスの波長を正味の吸収
が小さな領域に設定しておけば、位相変調器として用い
ることもできる。この場合、制御光が長い距離減衰せず
に伝搬させられるので、比較的小さな制御光エネルギー
で大きな位相シフトを得ることができる。即ち、変調効
率が向上する。励起光パルスは一種のバイアスとして働
くので、非変調時の位相バイアスの微調整にも利用でき
る。

【００９９】本発明は、以上述べた３つの実施形態やそ
の変形例以外にも、発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々
な変形、応用が可能である。例えば、第１、第２の実施
形態の層構造を第３の実施形態のような位相変調器、干
渉計型光分岐スイッチに応用したり、第３の実施例のよ
うな層構造を第１の実施形態の半導体光増幅器や第２の
実施形態の利得飽和形光ゲート・スイッチに応用したり
することもできる。また、励起光と制御光を入力とする
光演算素子として用いてもよい。或いは、励起光や制御
光や信号光の波長数を複数にして、さらに複雑な動作を
実現させることも可能である。

【０１００】これらの光スイッチを波長変換素子として
利用することも可能である。例えば、第２の実施形態に
おいて、信号光パルスをクロック・パルス、制御光パル
スを入力信号とすれば、入力信号のパターンが波長の異
なるクロック・パルスに転写される（符号は反転す
る）。

【０１０１】これ以外にも、他の素子と組み合わせた
り、集積化したりして、さまざまな機能を実現すること
ができる。材料系も、II−VI族半導体、ＩｎＧａＡｓ／
ＡｌＡｓＳｂ系などが利用できる。

【０１０２】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、極
めて低雑音で飽和レベルの高い半導体光増幅器が実現で
きる。また、サブバンド間吸収を用いた従来の可飽和吸
収光ゲートと比べて小さいパルス・エネルギーで、高効
率かつ高速に、信号光の強度，位相，光出力先等をスイ
ッチングすることが可能になる。そして、可飽和吸収ゲ
ートや光分岐スイッチとして用いた場合は、従来技術よ
り消光比も改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係わる半導体光増幅器の構造
を模式的に示す斜視図。

【図２】第１の実施形態に係わる半導体光増幅器の層構
造を模式的に示す断面図。

【図３】第１の実施形態に係わる半導体光増幅器の半導
体積層構造を構成する結合量子井戸構造三周期分のバン
ド図。

【図４】第１の実施形態に係わる半導体光増幅器の波長
配置を説明する図。

【図５】第２の実施形態に係わる非線形光半導体デバイ
スの波長配置を説明する図。

【図６】第２の実施形態に係わる非線形光半導体デバイ
スを励起光光源と集積化した構成例を模式的に示す図。

【図７】第３の実施形態に係わる非線形光半導体デバイ
スを用いた超高速光分岐スイッチの構成を模式的に示す
図。

【図８】第３の実施形態に係わる非線形光半導体デバイ
スの非線形光半導体層を構成する結合量子井戸構造三周
期分のバンド図。

【図９】第３の実施形態に係わる非線形光半導体デバイ
スの波長配置を説明する図。

【図１０】第３の実施形態に係わる非線形光半導体デバ
イスの制御光による屈折率変化を説明する図。

【図１１】第３の実施形態に係わる非線形光半導体デバ
イスの光増幅領域の変形例を説明する伝導帯バンド構造
図。

【図１２】第３の実施形態に係わる非線形光半導体デバ
イスの電子注入領域の変形例を説明する伝導帯バンド構
造図。

【図１３】本発明の波長配置の変形例を説明する図。

【図１４】従来の技術の量子カスケード・レーザの活性
層を構成する単位構造２周期分の伝導帯バンド構造を模
式的に示す図。

【符号の説明】

１…サファイア基板２，４…窒化物半導体層３…非線形光半導体層５…メサ光導波路６…ポリイミド７，８…電極９…入射光１０…出射光１１…励起光２０…半導体光増幅器／非線形光半導体デバイス（利得
飽和型光ゲート・スイッチ）２２…アンドープＡｌＮ層２３…第１のｎ型ＧａＮ層２４…第１のＡｌＧａＮ組成傾斜層２５…第２のＡｌＧａＮ組成傾斜層２６…第２のｎ型ＧａＮ層３１，８１…半導体積層構造の一積層周期の結合量子井
戸構造３２，８２…第１のアンドープＡｌＮ障壁層（電子注入
領域）３３，８３…アンドープＡｌＧａＮ井戸中間層３４，８４…第１のｎ型ＧａＮ井戸層３５，８５…第２のアンドープＡｌＮ障壁層３６，８６…第２のｎ型ＧａＮ井戸層３７，８７…第１の量子井戸（光増幅領域）３８，８８…第２の量子井戸（電子励起領域）５０…半導体光励起素子５１…モード同期レーザ５２…テーパ型半導体光増幅素子５３，５４…利得領域５５…可飽和吸収領域５６…電極５７…同期光入力６１…石英光集積回路６２…受動光導波路６３…信号光入力ポート６４…制御光入力ポート６５…第１の信号光出力ポート６６…第２の信号光出力ポート６７…制御光出力ポート６８…光カプラ６９…１：１光カプラ７１…第１の分岐７２…第２の分岐７３，７５…波長カプラ７４…第２の実施形態の非線形光半導体デバイス（光位
相変調素子）７６…光強度変調器７７…光位相変調器８９…第３のＧａＮ井戸層９０…変形例の単位結合量子井戸構造９１…電子注入領域９２…光増幅領域９３…電子励起領域９４…第１の量子井戸９５…第２の量子井戸９６…第３の量子井戸１０１…電子注入領域１０２…活性領域１０３…井戸層１０４…障壁層１０５…ミニバンド

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｓ 5/50 ６１０Ｈ０１Ｓ 5/50 ６３０６３０Ｇ０２Ｂ 6/12 ＨＦターム(参考） 2H047 KA04 NA08 QA02 RA08 TA05 TA11 2H079 AA08 AA13 AA14 BA01 CA05 CA09 DA16 EA03 EA04 EA05 EA07 HA15 2K002 AA02 AB05 AB23 AB25 AB30 BA02 BA03 CA13 DA06 DA07 DA08 DA12 GA10 HA16 HA30 5F073 AA13 AA45 AA71 AA74 AA89 AB12 BA03 BA08 BA09 CA02 CA07 CB05 EA27 EA29

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも二つのサブバンドを有する第１
の量子井戸（光増幅領域）と、少なくとも二つのサブバ
ンドを有しかつそのサブバンド間エネルギー差が前記第
１の量子井戸のサブバンド間エネルギー差よりも大きな
第２の量子井戸（電子励起領域）と、の少なくとも二つ
の量子井戸が薄い障壁層により結合した単位結合量子井
戸構造が、複数層周期的に積層されてなる半導体積層構
造と、この半導体積層構造を含む光導波構造と、前記半導体積層構造に対しその積層方向に電圧を印加し
て前記単位結合量子井戸構造の第１の量子井戸から第２
の量子井戸に向かう方向にキャリアを流す手段と、前記光導波構造の一端側から光を入射する手段と、前記光導波構造の他端側から光を出射する手段と、前記半導体積層構造に前記第２の量子井戸のサブバンド
間吸収帯域内の励起光を注入する手段と、を具備してなることを特徴とする半導体光機能デバイ
ス。
【請求項２】前記光導波構造に入射する光は、前記第１
の量子井戸のサブバンド間遷移帯域内の信号光であるこ
とを特徴とする請求項１記載の半導体光機能デバイス。
【請求項３】前記光導波構造に入射する光は、前記第１
の量子井戸ないし第２の量子井戸のサブバンド間遷移帯
域内の信号光と制御光であることを特徴とする請求項１
記載の半導体光機能デバイス。
【請求項４】前記半導体積層構造は、窒化物半導体によ
り構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいず
れかに記載の半導体光機能デバイス。
【請求項５】前記第１の量子井戸と前記第２の量子井戸
のサブバンド間遷移波長は、いずれも２μｍ以下である
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導
体光機能デバイス。
【請求項６】前記第１の量子井戸は、前記第２の量子井
戸と反対側側にステップ状ないし連続的な組成傾斜領域
を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記
載の半導体光機能デバイス。
【請求項７】前記第１の量子井戸の前記第２の量子井戸
とは反対側に、前記障壁層より薄い別の障壁層を介して
第３の量子井戸が設けられていることを特徴とする請求
項１〜３のいずれかに記載の半導体光機能デバイス。
【請求項８】前記励起光は、前記光導波構造の側面から
導入されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに
記載の半導体光機能デバイス。