JP2004507894A - 半導体増幅器 - Google Patents

Abstract

本発明は、増幅する光の偏波のＴＥモードおよびＴＭモードのより高いゲインをそれぞれ提供する少なくとも２つの増幅器セクッション（３０、４０）を含む半導体光増幅器であって、前記セクッションが各々同じ厚さ（ｅ）の能動導波路構造（１２）を有する増幅器に関する。本発明は、２つのセクッション（３０、４０）の能動導波路構造（１２）がそれぞれ異なる引張り応力を受け、かつ／または異なる幾何形状を有して増幅器の総ゲインが増幅する前記光の偏波の影響を受けなくし、また異なるセクッション（３０、４０）間の遷移が有効屈折率の連続性を有することを特徴とする。

Description

【０００１】
本発明は、光信号を増幅することに関する。本発明は通常、光ファイバ通信ネットワークに適用される。光ファイバ通信ネットワークによって送信される信号は２進形式で送信される情報を搬送するパルスからなる。パルスは前記ネットワーク内での伝搬時に受けるパワー損失を補償するために増幅しなければならない。半導体増幅器はそのような増幅を得る簡潔な手段を構成し、集積化できる。ただし、以下の説明で増幅器の偏波感受性に言及することによってより簡単に示されるように、特定の防止手段が実施されない限り、そのゲインは受光する偏波状態に影響されやすい。
【０００２】
本発明は式ΔＧ＝Ｇ_ＴＥ−Ｇ_ＴＭで表される偏波感受性を解消するか少なくとも制限するのに必要な時に特に適用される。その目的は条件｜ΔＧ｜＜１ ｄＢを達成することである。
【０００３】
感受性を制限または解消しなければならない状況は頻繁に発生し、増幅すべき光パルスが進む距離が、パルスの偏波状態が伝搬時に大幅にかつ無作為に影響され、増幅されたパルスが１つまたは複数の所定のパワーレベルを有することが好ましい時に発生する。
【０００４】
より一般的には、本発明は光増幅器が全く偏波感受性を有しないか低い偏波感受性を有しなければならない時には常に適用できる。
【０００５】
より詳細に言えば、本発明は埋込み型リッジ構造（ＢＲＳ）増幅器に適用される。
【０００６】
埋込み型リッジ構造半導体光増幅器（図１参照）はそれぞれの屈折率を有し共通の結晶格子を形成する半導体材料の層からなるウェーハ２を含む。機械的応力がない場合、これらの材料で形成される格子は材料のそれぞれの格子パラメータを構成するそれぞれの特徴的な寸法を有する。層は垂直方向ＤＶで連続し、ウェーハ２に関して画定された直角の三面体を形成する２つの水平方向が縦方向ＤＬと横方向ＤＴを構成する。層は底面４から上面６まで垂直方向ＤＶに上向きの連続を形成する。ウェーハ２は少なくとも以下の層または層のグループまたは層の部分を含む。
【０００７】
−主として第１のタイプの導電率を有する半導体基礎材料からなる基板８。この基板は基礎材料の格子の寸法をウェーハ２のすべての結晶格子に強いるだけの厚さを有する。
−材料内に注入される両方のタイプの荷電キャリアの励起再結合によって光を増幅するように構成された能動材料を含む能動層１０。
−最後に、第１のタイプと逆の第２のタイプの導電率を有する材料からなる最上部の閉じ込め層１８。
【０００８】
増幅器はウェーハ２の底面４と上面６上にそれぞれ形成され、電流が前記各面の間を流れて両方のタイプの前記荷電キャリアの能動材料内への注入を可能にする上面電極２０と底面電極２２とをさらに含む。
【０００９】
従来技術の半導体光増幅器の基礎材料はＩＩＩ−Ｖ族材料で、通常はインジウム燐とガリウム砒素である。能動材料は通常同じ化学元素を含む三元または四元材料である。光を導く導波路能動構造１２の幅ｌは、構造に容易にエッチングでき、最も重要には増幅器を同じ半導体ウェーハ上の他の光学構成要素と容易に集積できるように１マイクロメートル程度であることが一般に要求される。通常３１０ｎｍまたは５５０ｎｍの波長の光の単一モード伝搬を確実にするために、厚さｅは幅ｌよりはるかに小さくなければならない。それを防止するために特別の措置が講じられなければ、導波路能動構造１２の断面のこの矩形形状によって前述の偏波感受性が発生する。
【００１０】
ＢＲＳ増幅器では、光を導く能動構造１２を構成する能動材料１０は四方を二元半導体材料１４、１６で囲まれている。この材料には熱をよく伝導するという利点があるが、屈折率は能動材料の屈折率よりわずかに低いにすぎない。能動材料が均質であってバルク材料と呼ばれる状況をさらに考察する。一般に、埋込み型導波路能動構造１２の断面は顕著に矩形である。導波路構造１２とその周囲の二元材料１４、１６との屈折率の差はわずかなので、水平偏波の閉じ込めは垂直偏波の閉じ込めより大きく、２つの閉じ込め係数の差は導波路構造１２の厚さｅに対する幅ｌの割合が増加するにつれて増加する。光波に関する上記の閉じ込めは横平面で発生する。閉じ込めは導波路構造によって占有される領域内の光波パワーの、光波の総パワーに対する割合に等しい。閉じ込め係数は偏波と波長ごとにリッジ断面の形状と寸法およびリッジ材料とそれを囲む材料の屈折率とによって定義される。矩形の断面の場合、閉じ込め係数は水平方向の方向性閉じ込め係数と垂直方向の方向性閉じ込め係数との積であり、２つの方向性閉じ込め係数の各々は偏波に依存すると考えられる。キャリア再結合と励起放射による光波の増幅現象が能動材料すなわちリッジ１２内のみで発生すると仮定すると、光波についての増幅器ゲインは光波の閉じ込めが増加するにつれて増加する。この結果、導波路構造１２の材料が均質な材料でかつ等方性を示し、したがって、偏波の影響を受けないとすると、増幅器ゲインは垂直偏波よりも水平偏波の方が大きくなるであろう。
【００１１】
これらの増幅器が増幅する光の偏波の影響を受けないようにする相当量の研究がなされている。
【００１２】
特に、本出願人の米国特許第５９８２５３１号は光の偏波の影響を受けないようにされるこの種の増幅器を提案する。増幅器はその能動材料が十分な引張り応力を受けてそのゲインが増幅する前記光の偏波の影響を受けないようにするということを特徴とする。この応力は一般に能動材料と基板の基礎材料との間の格子の不一致から発生する。水平閉じ込め係数は通常垂直閉じ込め係数と閉じ込め非対称係数との積に等しい。
【００１３】
本出願は、例えば、導波路構造１２が顕著に矩形なリッジからなるという事実から生まれる高い閉じ込め非対称係数がある場合でさえ、前記リッジを形成する均質な能動材料に加えられて偏波不感性を得る引張り応力は、リッジの厚さが変位に関して対応する臨界厚さよりも小さくなる程度に十分に低い。
【００１４】
上記の種類の増幅器は低い偏波感受性を有する。その主要なパラメータは以下の通りである。
−増幅能動層の波長：λ＝１．５７μｍ、
−能動材料：Ｉｎ_１−ｘＧａ_ｘＰ_１−ｙＡｓ_ｙ、
−能動層の引っ張り応力：Δａ／ａ＝−０．０１５、
−能動層の厚さ：ｅ＝０．２μｍ、および
−リッジの幅：ｌ＝１μｍ
【００１５】
ただし、この種の構造には欠点もある。偏波は能動層の厚さと能動層が受ける応力との制御に大幅に依存するということが実験的および理論的に確立されている。例えば、この応力（Δａ／ａ）を−０．０１５から−０．０１４または−０．０１６に変更すると、ＴＥモードまたはＴＭモードのそれぞれの感受性に対して０．８ｄＢのゲイン・シフトΔＧが引き起こされる。同様に、能動層の厚さをわずかに変更（数パーセント）すると、直接に増幅器のゲイン・オフセットΔＧが引き起こされる。したがって、光の偏波への増幅器の感受性はその構造に依存し、容易に制御できない。
【００１６】
本発明の目的は先に引用した米国特許第５９８２５３１号によって提案された技術の欠点を取り除くことである。
【００１７】
このために、本発明は増幅器の総ゲインΔＧの偏波感受性が電流によって容易に制御され、偏波感受性の「能動的な」調整を提供する構造を提案する。
【００１８】
したがって、本発明による半導体光増幅器は各々が電極を備え、各々が異なる幾何構造および／または引っ張り応力を有してＴＥモードおよびＴＭモードのより高いゲインをそれぞれ選択する少なくとも２つの別個のセクッションを有する。
【００１９】
２つのセクッションを備えたこの種の構造は特に日本国特許出願第ＪＰ１０１５４８４１号にすでに開示されている。出願は、セクッションによって能動層の厚さを変更してＴＥモードに小さい厚さを、またＴＭモードにより大きい厚さをそれぞれ与えることでゲインに影響を与えることからなる解決策を記載している。
【００２０】
増幅器の偏波に影響されない増幅器を得るために、各セクッションの各電極内に注入される電流を変化させることで２つのセクッションのゲインを調整できる。
【００２１】
ただし、上記の日本国特許出願で提案された解決策は、特に技術的な実施の観点から欠点を有する。
【００２２】
一方で、２つのセクッションの間の遷移が突然で、能動層内で伝搬するモードのサイズの非断熱的な変化を引き起こし、さらに遷移時の光波の反射を引き起こす。ＳＯＡ内の反射は許容できない。
【００２３】
他方、この種の構造を実施する場合は完璧な制御が必要な能動層のエッチングとさらにエピタキシャル成長のステップが必要である。よく制御されたエッチングは、ドライエッチングと、それに続く化学エッチングを必要とする。この種の技法は能動材料上では一般に回避される。それは、技法が能動層の品質を低下させる表面の再結合効果を引き起こすからである。また、別のエピタキシャル成長のステップは薄い能動層上では特に困難である。
【００２４】
本発明は、ＴＥモードおよびＴＭモードのより高いゲインをそれぞれ選択することで「能動的な」調整を可能にする２つのセクッションを備えた別の構造を提案することでこれらの欠点を除去する。
【００２５】
本発明によって提案される構造は、同じ厚さであるが異なる引張り応力を受け、かつ／または異なる幾何構造を有し、同時に２つのセクッション内の能動層の有効屈折率の連続性を保証し、遷移が断熱的で、または屈折率がステップ的でない２つのセクッションを作成することを必要とする。
【００２６】
より詳細に言えば、本発明は、増幅する光の偏波のＴＥモードおよびＴＭモードのより高いゲインをそれぞれ選択する少なくとも２つの増幅器セクッションを含む半導体光増幅器であって、前記セクッションが各々同じ厚さの能動導波路構造を有し、２つのセクッションの能動導波路構造がそれぞれ異なる引張り応力を受け、かつ／または異なる幾何形状を有して増幅器の総ゲインが増幅する光の偏波の影響を受けなくし、またセクッション間の遷移時に有効屈折率の不連続性がないことを特徴とする半導体光増幅器である。
【００２７】
第１の実施形態では、能動導波路構造はセクションでそれぞれ異なる幅を有する。
【００２８】
第２の実施形態では、少なくとも１つのセクッションの能動導波路構造は屈曲部分を有する。
【００２９】
第３の実施形態では、両方のセクッションの能動導波路構造はそれぞれ異なる引張り応力を受ける。
【００３０】
第３の実施形態の特徴によれば、各セクッションの能動導波路構造は前記材料を構成する元素間で異なる化学量論比を有する材料から製造される。
【００３１】
本発明の一特徴によれば、能動導波路構造の材料は四元材料である。
【００３２】
本発明の一特徴によれば、四元材料はＩｎＧａＡｓＰである。
【００３３】
本発明の特徴と利点は、非限定的な例を用いて添付図面を参照する以下の説明を読むことで明らかになろう。
【００３４】
本発明はゲインが増幅する光の偏波に独立な半導体光増幅器を提供する。
【００３５】
本発明の増幅器は増幅する光の偏波のＴＥモードおよびＴＭモードのより高いゲインをそれぞれ選択する２つの増幅器セクッション３０および４０を有し、各セクッション３０および４０はそれぞれ別個の電極２３および２４によって制御される。
【００３６】
したがって、各電極２３および２４に注入される電流を制御することで得られる「能動的な」調整によって、増幅する光の偏波の一方または他方のモードを選択して増幅器の総ゲインが偏波の影響を受けないようにすることができる。
【００３７】
加えられる電流は雑音による問題を回避できる程度に十分に大きいが、光の偏波の電気的な制御の影響を低減する程大きくはない。
【００３８】
本発明の一実施形態によれば、増幅器はエッチングされた埋込み型リッジからなる単一の能動導波路構造１２を含む。リッジ１２はセクッション３０および４０に共通で、どこでも同じ厚さを有する。
【００３９】
能動導波路構造の材料は、好ましくはＩｎＧａＡｓＰなどの四元材料である。
【００４０】
ただし、能動導波路構造１２は増幅する光の偏波のそれぞれのモードを選択する各セクッション３０および４０に固有の特性を有する。
【００４１】
図２に示す第１の実施形態では、能動導波路構造１２は各セクッション３０および４０で異なる幅ｌ_１、ｌ_２を有する。より広い部分の閉じ込め係数はＴＥ伝搬モードを選択し、より狭い部分の閉じ込め係数はＴＭ伝搬モードを選択する。
【００４２】
この種のリッジ１２は各セクッション３０および４０のそれぞれの幅を画定する適切なマスクでエッチングすることで容易に製造できる。
【００４３】
さまざまな実施形態で、ＴＥモードのより高いゲインを選択するセクッション３０の能動導波路構造１２の幅ｌ_１は０．８から１．２μｍで、ＴＭモードのより高いゲインを選択するセクッション４０の能動導波路構造１２の幅ｌ_２は０．６から１．０μｍで、ｌ_１＞ｌ_２の条件がまだ満たされている。
【００４４】
厚さが異なるのとは違って、能動リッジ１２の幅のこの差は２つのセクッション３０および４０の間の断熱モード遷移を確実に実行し、光波の反射の危険が解消される。
【００４５】
図３に示す第２の実施形態では、能動導波路構造１２は増幅する光のＴＥモードを選択するセクッション３０内の屈曲部分１３を有する。
【００４６】
前述したように、能動導波路構造の材料および閉じ込め係数は両方のセクッション３０および４０と同じである。リッジ１２の屈曲部分１３は光の伝搬のＴＥモードを選択し、直線部分はＴＭモードを選択する（リッジを構成する材料の性質のために）。直線リッジセクッション４０は図示の例では屈曲した部分１３によって分離されているが、相互接続された電極２４、２４’によって電気的に結合されている。
【００４７】
屈曲した部分１３を備えたこの種のリッジ１２は適切なマスクでエッチングすることで容易に製造できる。この場合も、光波の反射の危険を解消する２つのセクッション３０および４０の間の断熱モード遷移を得られる。
【００４８】
図４に示す第３の実施形態では、能動導波路構造１２はセクッション３０および４０内のそれぞれ異なる引張り応力を受ける。
【００４９】
能動導波路構造１２は四元材料から製造される。２つのセクッション３０および４０の間の引張り応力の差は前記能動構造１２の材料を構成する元素の化学量論比の差によって得られる。
【００５０】
同じ材料（ＩｎＧａＡｓＰ）を使用することで一方のセクッションから他方のセクッションへの遷移でステップ状の屈折率が回避され、その結果、セクッション３０および４０の間の光波の反射が回避される。変化するのは材料の組成である。
【００５１】
したがって、増幅する光の所与の波長λ（例えば、１．５μｍ）で、各セクッションでＩｎ_１−ｘＧａ_ｘＡｓ_１−ｙＰ_ｙ材料に異なる格子張力を加えるために数対の値（ｘ、ｙ）が使用可能である。
【００５２】
各セクッション内のリッジ１２は知られている従来技術のバット・カップリング技法を用いた２重エピタキシャル成長によって作成される。
【００５３】
以上記載した３つの実施形態は本発明を限定するものではなく、特に、本発明の範囲から逸脱することなく互いに組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の埋込み型リッジ構造半導体光増幅器を示す図である。
【図２】本発明の増幅器の第１の実施形態の平面図である。
【図３】本発明の増幅器の第２の実施形態の平面図である。
【図４】本発明の増幅器の第３の実施形態の平面図である。

Claims (9)

1. 増幅する光の偏波のＴＥモードおよびＴＭモードのより高いゲインをそれぞれ選択する少なくとも２つの増幅器セクッション（３０、４０）を含む半導体光増幅器であって、前記セクッションが各々同じ厚さ（ｅ）の能動導波路構造（１２）を有し、２つのセクッション（３０、４０）の能動導波路構造（１２）がそれぞれ異なる引張り応力を受け、かつ／または異なる幾何形状を有して増幅器の総ゲインが増幅する前記光の偏波の影響を受けなくし、またセクッション（３０、４０）間の遷移時に有効屈折率の不連続性がないことを特徴とする半導体光増幅器。
2. 能動導波路構造（１２）がセクッション（３０、４０）内でそれぞれ異なる幅（ｌ_１、ｌ_２）を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体光増幅器。
3. 少なくとも１つのセクッション（３０）の能動導波路構造（１２）が屈曲部分（１３）を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体光増幅器。
4. セクッション（３０、４０）の能動導波路構造（１２）がそれぞれ異なる引張り応力を受けることを特徴とする請求項１に記載の半導体光増幅器。
5. ＴＥモードのより高いゲインを選択するセクッション（３０）の能動導波路構造（１２）の幅（ｌ_１）が０．８から１．２μｍであることを特徴とする請求項２に記載の半導体光増幅器。
6. ＴＭモードのより高いゲインを選択するセクッション（４０）の能動導波路構造（１２）の幅（ｌ_２）が０．６から１．０μｍであることを特徴とする請求項２に記載の半導体光増幅器。
7. セクッション（３０、４０）の能動導波路構造（１２）が材料を構成する元素間で異なる化学量論比を有する前記材料から製造されることを特徴とする請求項４に記載の半導体光増幅器。
8. 能動導波路構造（１２）の材料が四元材料であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体光増幅器。
9. 四元材料がＩｎＧａＡｓＰであることを特徴とする請求項８に記載の半導体光増幅器。

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