JP2004119768A - 半導体光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電流注入による光増幅機能及び発光機能を有する活性層を備えた半導体光素子において、前記活性層は量子ドット活性層4を有し、前記量子ドットは活性層4内の位置により歪量が変化していることを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、広波長帯域で動作する半導体光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
情報社会の発展に伴い、情報通信におけるデータ量が急激に増加し、高速かつ大容量の通信システムの実現が望まれている。
このような急激に増大する情報データ量の伝送を可能とする為に、光ファイバを用いた光通信システムが採用されている。
近年は従来の単一波長光を用いた光通信システムに加えて、一本の光ファイバ中に複数の波長の信号光を通し、各波長光に異なるデータを乗せて通信を行う波長分割多重(WDM)通信技術の開発が進んでいる。
【0003】
この波長分割多重通信技術は、信号を波長毎に分割して通信することにより通信量を飛躍的に増大させ、テラビット級の伝送システムを可能とするものである。
光通信システムにおいては、光の伝播に伴いシステム内で光損失が発生することが大きな問題となるが、その光損失を補う為、これまで半導体光増幅器、ファイバ増幅器等の光増幅器の開発が続けられてきている。
【0004】
特に半導体光増幅器は、小型であること、集積化が容易であること等の理由から、光通信システムにおける重要な地位を占めるものとして位置付けられ、その高性能化が期待されている。
【0005】
【非特許文献1】
”High performance 1.55μm polarization−insensitive semiconductor optical amplifier based on low−tensile−strained bulk GaInAsP” J.−Y. Emery et al., Electronics Letters, vol. 33, No. 12,1997, pp. 1083−1084.
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
現在、波長多重分割通信システム内における使用波長帯域は、光損失が最も小さい波長1.55μmを中心とするCバンド、即ち1.53〜1.57μmの波長帯域に加えて、より通信量を増加させる為にSバンド(波長帯1.48〜1.51μm)、Lバンド(波長帯1.57〜1.61μm)の使用が検討されている。
【0007】
しかしながら、現在の半導体光増幅器の特性を考慮した場合、波長分割多重通信システム内における全ての使用波長帯域に対して均一の光増幅機能を有するものとはなっていない。
例えばバルク構造の活性層から成る半導体光増幅器は20nm〜60nm程度の帯域であり、Sバンド、Cバンド、Lバンド、更にそれ以上に渡る広い帯域で平坦化された利得スペクトルを単一素子で得られないという問題がある(例えば、非特許文献1参照)。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、広い波長帯域の光増幅機能を有する半導体光素子を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような課題を達成する為、電流注入による光増幅機能を有する活性層を備えた半導体光素子において、活性層を量子ドット活性層から構成し、量子ドットは活性層内の位置により歪量が変化するように構成した。
また、活性層を量子ドットを埋め込んだ歪緩和層から構成し、前記歪緩和層は、活性層内位置により形状又は材料が変化するように構成した。
【0009】
また、量子ドットを埋め込んだ歪緩和層上に埋め込み層が積層され、前記歪緩和層と前記埋め込み層は格子定数の異なる材料から形成されるように構成した。また、前記活性層は基板に垂直方向及び基板に水平方向に量子ドットを埋め込んだ複数の歪緩和層を有するように構成した。
以上の構成からなる活性層を用いて半導体光素子を構成した。
【0010】
〔作用〕
量子ドット活性層内の光の遷移エネルギーは歪量に大きく依存する。
閃亜鉛鉱半導体のバンドギャップエネルギーEgの歪による変化ΔEgは、剪断歪を無視すると以下の式1で与えられる。
【0011】
【数1】
【0012】
ここでaは静水圧変形ポテンシャル、bは軸性変形ポテンシャルであり、材料依存性を有する。
InAsの場合、a=−6.0eV,b=−1.8eVである。
εxx,εyy,εzzはそれぞれ三次元空間内の歪テンソルの成分であり、正符号が伸張歪を表す。
従って、光増幅器の活性層内でドットの歪量を分布させることにより、活性層内の位置により異なる遷移波長を有するドットを作製する事ができる。
【0013】
一般に自己形成により作製された量子ドットにおいては、量子ドットの大きさの不均一性によるスペクトル広がりが40meV程度存在する。
これに活性層内の歪分布によるスペクトル広がりを加える事により、半導体光素子の素子全体から得られる利得スペクトルは、図1に示すように各ドットから得られる異なる波長帯の利得スペクトルを重ね合わせたものとなり、広波長帯域にわたる光増幅が実現できる。
【0014】
一方、半導体光素子内の量子ドット活性層内の実効歪み量は、量子ドットを埋め込んだ層の厚さにより変化する。
例えば、図2(a)に示すように、GaAs層内にInAs層を作製した場合、GaAsとInAsの格子不整合は7%となり、InAsドット内には強い圧縮歪が生ずるが、図2(b)に示すように、In0.2Ga0.8As層内にInAs層を作製した場合、In0.2Ga0.8AsとInAsの格子不整合は5.6%程度となり、GaAsと比較してInAsドット内の実効歪量は減少する。
【0015】
この結果、ドット上のInGaAsを厚くするに従い歪の緩和の効果が強くなる。
ドット内で歪の緩和が生じた場合、式1に従って量子ドット内のバンドギャップが変化する。
ドット形状の対称性が良い場合は歪量分布は静水圧的となる為、式1における第一項が支配的となると仮定すると、ドット内の圧縮歪量が1.4%減少した場合、バンドギャップエネルギーは250meV減少し、その結果、遷移波長は長波側へと変化する。
【0016】
図3は底辺の一辺20nm、高さ10nmのピラミッド状のInAsドットの上部をIn0.2Ga0.8Asで埋め込んだ場合の、遷移波長のInGaAs層厚依存性を数値解析により示したものである。
図3に示すように、InGaAs層の厚さを20nm変化させると60nmの遷移波長変化が得られている。
この遷移波長変化量はドットの形状、材料にも依存する。
以上のようにドットを埋め込んだ歪緩和層の形状及び材料を活性層内で変化させることにより、ドットに歪分布を作製する事ができ、図1に示すように波長帯域を広げることができる。
【0017】
これに加えて、格子定数の異なる埋め込み層を歪緩和層に積層すると、歪緩和層内に新たな歪分布が生じ、それに応じてドット内の歪も変化する。
図4に模式図を示したように、歪緩和層が井戸状であれば歪は層内で一様となるが、両側を格子定数の異なる材料により埋め込むことにより、歪緩和層は両端で再度応力を受け、大きな歪分布が得られる。
【0018】
図5は底辺100mn、高さ20nmのストライプ状のInGaAs歪緩和層をGaAsで埋め込んだ場合の歪緩和層内の歪分布の数値解析結果を示す。
横軸は歪緩和層断面の位置である。
図5に示すように、歪緩和層の端と中央では1%近い大きな歪量差が生じている。
従って歪緩和層内のドットは位置により異なる歪を受け、遷移波長が変化することにより波長帯域を更に広げることができる。
【0019】
更に、量子ドット歪緩和層の幅を変えることにより埋め込みの状態が変化し、実効歪は変化する。
図5は歪緩和層中央における歪量の歪緩和層幅依存性の数値解析結果を示すものである。
導波路方向歪εyyには変化が見られないが、歪緩和層幅が小さくなるに従い、水平方向歪εxxと垂直方向歪εzzが減少する。
【0020】
従って歪緩和層の幅を活性層位置により変えることによりその中のドットは異なる歪を受け、遷移波長が変化し、波長帯域を広げることができる。
また、活性層内に以上の量子ドット歪緩和層を幅方向、高さ方向、長さ方向に複数設ける事により、それぞれの歪緩和層において異なる遷移波長を有する活性層を設けることができ、波長帯域を更に広げることができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
〔実施例1〕
本発明の第1の実施の形態における半導体光素子を図7に示す。
図7に示すように、n−GaAsからなる基板1上に厚さ2μmのn−Al0.4Ga0.6Asクラッド層2が形成されている。
その上には厚さ30nmのi−GaAsからなるSCH層3が積層され、更に、InAs量子ドット活性層4が形成されている。
【0022】
このInAs量子ドット活性層4はIn0.2Ga0.8As層歪緩和層5により埋め込まれており、InGaAs歪緩和層5は素子の導波路方向に厚さ0nmから20nmまで折れ線状に周期5μmで変化している。
InGaAs歪緩和層5上には厚さ30nmのi−GaAsからなるSCH層6、厚さ2μmのp−Al0.4Ga0.6Asクラッド層7、厚さ2μmのp−GaAsクラッド層8が積層されている。
素子の上下にはそれぞれp電極9、n電極10が設けられている。
素子の光入射端面、出射端面には反射防止膜11が施されている。
素子長は1500μmである。
【0023】
素子作製の際、結晶成長にはMOVPE等が使用可能であり、InGaAs層歪緩和層5の厚さの変化はInGaAs層を平坦に積層した後に電子ビーム露光等を用いて作製することができる。
或いはInGaAsの積層時にマスクを変化させた選択成長を行う事により作製することも可能である。
選択成長を用いた場合、成長時に活性層位置によりInGaAsの組成も変化する為、各点で歪量が変化する効果がある。
【0024】
信号光は図左側から入射され、電極9,10から電流による活性層4内の誘導放出により増幅され、図右側から出射される。
この際、本実施例においては、InAsドット活性層4周りのInGaAs歪緩和層5層の厚さが0nmから20nmまで変化する為、図3に示すように活性層4内に遷移波長60nmの分布を設けることが可能となり、図1に示すような利得の波長帯域の拡大が実現できる。
【0025】
また、ここではInGaAs歪緩和層5の厚さを折れ線的に変化させたが、この厚さの変化は、図8に示すような緩やかな変化にしても同様の効果が得られる。更に、ここではInGaAs緩和層5の層厚の変化により生ずる回折格子の効果による反射波長制御を容易にする為に層厚変化を周期的としたが、図9に示すように、厚さを緩やかに変化させても構わない。
更には、回折格子の反射波長が使用波長に重ならないようにすれば、層厚変化が不規則でも同様の効果が得られる。
【0026】
また、図10に示すように、以上の活性層構造を多層に重ねることにより光閉じ込め効果を高くし、利得を上げることができる。
更にこのとき、歪緩和層5の厚さの変化及び歪緩和層5の組成を各層毎に変化させることにより、層毎に遷移波長を変えることができ、波長帯域を更に広げることが可能である。
【0027】
〔実施例2〕
本発明の第2の実施の形態における半導体光素子を図11に示す。
図11に示すように、n−GaAsからなる基板1上に厚さ2μmのn−Al0.4Ga0.6Asクラッド層2が形成されている。
このクラッド層2上には厚さ50nmのi−GaAsからなるSCH層3が積層され、このSCH層3上には素子の導波路方向に周期5μm、高さ20nmの折れ線状の凹凸が設けてあり、その上にInAs量子ドット活性層4が形成されている。
【0028】
InAs量子ドット活性層4はIn0.2Ga0.8As歪緩和層5により埋め込まれており、この上には厚さ30nmのi−GaAsSCH層6、厚さ2μmのp−Al0.4Ga0.6Asクラッド層7、厚さ2μmのp−GaAsクラッド層8が積層され、素子の上下にはそれぞれp電極9、n電極10が設けられている。
素子長は1500μmである。
素子の光入射端面、出射端面には反射防止膜11が施されている。
素子作製の際、結晶成長にはMOVPE等が使用可能であり、GaAsSCH層3上の凹凸は電子ビーム露光等を用いて作製することができる。
【0029】
信号光は図左側から入射され、電極9,10から電流による活性層4内の誘導放出により増幅され、図右側から出射される。
この際、本実施例においては、InAsドット活性層4周りのInGaAs歪緩和層5の厚さが0nmから20nmまで変化する為、図3に示したように活性層4内に遷移波長60nmの分布を設けることが可能となり、図1に示すような利得の波長帯域の拡大が実現できる。
また、ここではGaAsSCH層3上の凹凸を折れ線的に変化させたが、この変化は、滑らかな変化にしても同様の効果が得られる。
【0030】
更には、反射波長が使用波長に重ならないようにすれば、凹凸変化は周期的でなくとも良く、不規則でも同様の効果が得られる。
また、図12に示すように、以上の活性層構造を多層に重ねることにより光閉じ込め効果を高くし、利得を上げることができる。
更に凹凸及び歪緩和層5の厚さ及び歪緩和層5の組成を層毎に変化させることにより、層毎に遷移波長を変えることができ、波長帯域を更に広げることが可能である。
【0031】
〔実施例3〕
本発明の第三の実施の形態における半導体光素子を図13に示す。
図13に示すように、n−GaAsからなる基板1上に厚さ2μmのn−Al0.4Ga0.6Asクラッド層2が形成されている。
このクラッド層2上には幅2μm、長さ1500μmの活性層ストライプが形成されている。
【0032】
この活性層ストライプは以下の構成からなる。
即ち、厚さ100nmのi−GaAsSCH層3が積層され、SCH層3内には幅100nm、厚さ20nmのストライプ状のIn0.2Ga0.8As歪緩和層5により埋め込まれたInAs量子ドット活性層4が形成されている。
各歪緩和層5内には歪緩和層幅方向に複数の量子ドット活性層4が存在している。
【0033】
この活性層ストライプはp−Al0.4Ga0.6Asクラッド層12により埋め込まれている。
活性層上部にはn−Al0.4Ga0.6Asからなる電流阻止層13が形成され、その上部には更に厚さ2μmのp−Al0.4Ga0.6Asクラッド層7、厚さ2μmのp−GaAsクラッド層8が積層されている。
素子の上下にはそれぞれp電極9、n電極10が設けられている。
素子の光入射端面、出射端面には反射防止膜(図示省略)が施されている。
素子作製の際、結晶成長はMOVPE等で可能であり、InGaAs歪緩和層5は電子ビーム露光等を用いて加工することが可能である。
【0034】
本実施例においては、InGaAs歪緩和層5をGaAsSCH層3により埋め込む事により、図4及び図5に示すように、活性層内に歪分布が生じ、歪緩和層5内の量子ドットの位置により活性層内に波長の分布を設けることが可能となり、図1に示すような利得の波長帯域の拡大が実現できる。
また、図14に示すように、以上の活性層構造を多層に重ねることにより光閉じ込め効果を高くし、利得を高くすることが可能であり、更に歪緩和層5の形状及びその組成を層毎に変化させることにより、層毎に遷移波長を変え、波長帯域を更に広げることができる。
【0035】
〔実施例4〕
本発明の第4の実施の形態における半導体光素子を図15に示す。
図15に示すように、n−GaAsからなる基板1上に厚さ2μmのn−Al0.4Ga0.6Asクラッド層2が形成されている。
このクラッド層2上には幅2μm、長さ1500μmの活性層ストライプが形成されている。
【0036】
この活性層ストライプは以下の構成からなる。
即ち、厚さ100nmのi−GaAsSCH層3が積層され、SCH層3内には幅100nm、厚さ20nmのストライプ状のIn0.2Ga0.8As歪緩和層5により埋め込まれたInAs量子ドット活性層4が形成されている。
この歪緩和層ストライプは、図16に示すように、導波路方向に対して幅が変化するように構成されている。
図16は本実施の形態における歪緩和層部分の断面を素子の上部から見たものであり、歪緩和層5の幅が折れ線的に20nmから120nmまで変化させてある。
【0037】
以上の活性層ストライプは図15に示すようにp−Al0.4Ga0.6Asクラッド層12により埋め込まれている。
活性層上部にはn−Al0.4Ga0.6Asからなる電流阻止層13が形成され、その上部には更に厚さ2μmのp−Al0.4Ga0.6Asクラッド層7、厚さ2μmのn−GaAsクラッド層8が積層されている。
素子の上下にはそれぞれp電極9、n電極10が設けられている。
素子の光入射端面、出射端面には反射防止膜11が施されている。
素子作製の際、結晶成長はMOVPE等で可能であり、InGaAs歪緩和層は電子ビーム露光等を用いて加工することが可能である。
【0038】
本実施例においては、InGaAs歪緩和層5をGaAs層SCH層3により埋め込み、更に歪緩和層5の幅を変化させることにより、図6に示すように歪緩和層内の実効歪量が変化する為、活性層位置により遷移波長の分布を設けることが可能となり、図1に示すような利得の波長帯域の拡大が実現できる。
また、ここではInGaAs層上の歪緩和層幅を折れ線的に変化させたが、この変化は、緩やかな変化にしても同様の効果が得られる。
【0039】
更には、反射波長が使用波長に重ならないようにすれば、幅の変化が不規則でも同様の効果が得られる。
また、以上の活性層構造を多層に重ねることにより光閉じ込め効果を高くし、利得を高くすることが可能であり、更に歪緩和層幅の変化及び歪緩和層の組成を層毎に変化させることにより、層毎に遷移波長を変え、波長帯域を更に広げることが可能である。
【0040】
以上の実施例1〜4においては活性層にInAs、歪緩和層にIn0.2Ga0.8As層を用いたが、他の材料系を用いても同様の効果が得られる。
また、本実施例では各歪緩和層の変化を導波路の上方向、下方向、横方向と分けて構成したが、これらの構成は組み合わせて用いることが可能である。
また、同様の層構造は利得帯域の広い光源の活性層として用いることも可能である。
【0041】
このように説明したように、本発明は、活性層を量子ドット活性層とする半導体光素子に関し、活性層内の量子ドットに歪分布を持たせる点に特徴があり、これにより各量子ドットは異なる遷移波長を有するため、素子全体としては広い波長帯域にわたる利得スペクトルを実現できる。
【0042】
【発明の効果】
以上示したように、本発明によれば、広帯域の波長帯域を有する半導体光素子が実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による利得波長帯域増大の効果を示すグラフである。
【図2】歪緩和層における歪の減少の効果を示す説明図である。
【図3】遷移波長の歪緩和層の厚さ依存性を示す説明図である。
【図4】埋め込み層による歪緩和層内の歪の変化を示す説明図である。
【図5】埋め込み層により生ずる歪緩和層内の歪分布を示すグラフである。
【図6】歪緩和層内における歪量の歪緩和層幅依存性を示すグラフである。
【図7】本発明の第1の実施の形態に係る半導体光素子を示す断面図である。
【図8】本発明の第1の実施の形態に係る半導体光素子を示す断面図である。
【図9】本発明の第1の実施の形態に係る半導体光素子を示す断面図である。
【図10】本発明の第1の実施の形態に係る半導体光素子を示す断面図である。
【図11】本発明の第2の実施の形態に係る半導体光素子を示す断面図である。
【図12】本発明の第2の実施の形態に係る半導体光素子を示す断面図である。
【図13】本発明の第3の実施の形態に係る半導体光素子を示す断面図である。
【図14】本発明の第3の実施の形態に係る半導体光素子を示す断面図である。
【図15】本発明の第4の実施の形態に係る半導体光素子を示す断面図である。
【図16】本発明の第4の実施の形態に係る半導体光素子を示す上面図である。
【符号の説明】
1 n−GaAs基板
2 n−AlGaAsクラッド層
3 i−GaAsSCH層
4 InAs量子ドット活性層
5 InGaAs歪緩和層
6 i−GaAsSCH層
7 p−AlGaAsクラッド層
8 p−GaAsクラッド層
9 p電極
10 n電極
12 p−AlGaAsクラッド層
13 n−AlGaAs電流阻止層
Claims (6)
- 電流注入による光増幅機能及び発光機能を有する活性層を備えた半導体光素子において、前記活性層は量子ドット活性層を有し、前記量子ドットは活性層内の位置により歪量が変化していることを特徴とする半導体光素子。
- 請求項1記載の半導体光素子において、前記活性層は量子ドットを埋め込んだ歪緩和層から構成され、前記歪緩和層を形成する材料は量子ドット活性層を形成する材料と異なる格子定数を有し、前記歪緩和層は、活性層内の位置により形状が変化していることを特徴とする半導体光素子。
- 請求項1記載の半導体光素子において、前記活性層は量子ドットを埋め込んだ歪緩和層から構成され、前記歪緩和層を形成する材料は量子ドット活性層を形成する材料と異なる格子定数を有し、前記歪緩和層は、活性層内の位置により歪量が変化していることを特徴とする半導体光素子。
- 請求項1記載の半導体光素子において、前記活性層は量子ドットを埋め込んだ歪緩和層から構成され、前記歪緩和層を形成する材料は量子ドット活性層を形成する材料と異なる格子定数を有し、前記歪緩和層に接して、前記歪緩和層と格子定数の異なる材料から形成される埋め込み層が積層されていることを特徴とする半導体光素子。
- 請求項1,2,3又は4記載の半導体光素子において、前記活性層は基板に垂直方向及び基板に水平方向に量子ドットが埋め込まれた複数の歪緩和層を有することを特徴とする半導体光素子。
- 請求項1,2,3,4又は5記載の半導体光素子において、活性層の光の入射側及び出射側に光反射防止膜を有することを特徴とする半導体光素子。
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