JP2005236300A - 反射型半導体光増幅器 - Google Patents

反射型半導体光増幅器 Download PDF

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Abstract

【課題】 ＷＤＭ-ＰＯＮで信号を増幅及び変調して伝送する光源として好適な、低い動作電流の条件でも利得が高く、低い閾値電流により電力消費が少ない反射型半導体光増幅器を提供する。
【解決手段】 反射型半導体光増幅器100は、基板101と、該基板上に下部クラッディング102、活性層103、及び上部クラッディング104が順次積層され、直線導波路領域、屈曲導波路領域、及びテーパ導波路領域を備えるＢＨ(Buried Hetero)構造の光導波路105と、光導波路105の周囲に形成され光導波路105の活性層103以外の領域への電流の流れを遮断する電流遮断層111と、活性層103の周辺に漏れる電流による寄生容量を減らすために、光導波路105の周囲の電流遮断層111及び基板101の一部の選択エッチングにより形成されたトレンチ112と、テーパ導波路領域の終端に形成されたウィンドゥ領域117と、該領域117の終端に形成された無反射面118と、直線導波路領域の終端に形成され入力光を反射する高反射面119と、を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体光増幅器に関し、特に、低い動作電流及び低い閾値電流の条件下でも高い利得を有することで、電力消費量が低減された、波長分割多重方式の受動型光加入者網に好適に用いられる反射型半導体光増幅器に関する。
未来の超高速光加入者網と考えられている波長分割多重方式の受動型光加入者網(Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network；ＷＤＭ−ＰＯＮ)用の光源らのうち、非干渉性光に波長ロックされたファブリー・ペローレーザー(mode-locked Fabry-Perot laser with incoherent light)、または非干渉光が注入された反射型半導体光増幅器(wavelength seeded reflective semiconductor optical amplifier；Ｒ−ＳＯＡ)は、様々な加入者が一つの光源を共有することができ、製造コストも安いという長所があるので、加入者用の光源として注目されている。特に、波長ロックされたＦＰ-ＬＤは、温度や環境変化によって発振モードの波長が変わると、波長ロックされた特性が悪化して出力が不安定になる。これとは対照的に、反射型半導体光増幅器は、それぞれの加入者に割り当てられた非干渉性光を単純に増幅し、変調するので、外部の条件に応じて、スペクトルが少しずつ変わっても出力バワーが大きく変わらず、利得飽和の特性による相対光強度雑音(Relative intensity noise)が減少するという長所を有している。従って、反射型半導体光増幅器についての研究が活発に行われている。
しかしながら、一般に、半導体光増幅器は、ＦＰ-ＬＤに比べて駆動電流と閾値電流が高いので、電力消費量が高い。また、半導体光増幅器は、長さが長くて発振しないので、高周波応答特性が悪い。従って、一般的な構造を有する反射型半導体光増幅器は、ＷＤＭ-ＰＯＮで信号を増幅し、変調し、送信する光源として使用するのに適していない。
上記背景に鑑みて、本発明の目的は、ＷＤＭ-ＰＯＮで信号を増幅及び変調して伝送する光源として使用することができるように、低い動作電流の条件でも利得が高く、低い閾値電流により電力消費が少ない反射型半導体光増幅器を提供することにある。
本発明の他の目的は、優秀な高周波応答特性を有する反射型半導体光増幅器を提供することにある。
上記の目的を達成するために、本発明による反射型半導体光増幅器は、基板と、この基板の上に下部クラッディング、活性層、及び上部クラッディングが順次に積層され、直線導波路領域、屈曲導波路領域、及びテーパ導波路領域を備えるＢＨ構造(Buried Heterostructure)を有する光導波路と、この光導波路の周囲に形成され、光導波路の活性層以外の領域への電流の流れを遮断する電流遮断層と、活性層の周辺に漏れる電流による寄生容量を減らすために、光導波路の周囲の電流遮断層及び基板の一部の選択エッチングによって形成されたトレンチと、テーパ導波路領域の終端に形成されたウィンドゥ領域と、このウィンドゥ領域の終端に形成された無反射面と、直線導波路領域の終端に形成され入力光を反射する高反射面と、を含んでなることを特徴とする。
好ましくは、活性層は、８対乃至１０対の多重量子井戸を有する構造で形成される。
好ましくは、直線導波路領域は、略４００μｍ乃至９００μｍの長さを有し、屈曲導波路領域は、略１００μｍの長さを有し、テーパ導波路領域は、略１８０μｍの長さを有し、ウィンドゥ領域は、略１５μｍ乃至２５μｍの幅を有するように形成される。
好ましくは、テーパ導波路領域は、無反射面に垂直な方向に対して略７°乃至１０°の角度をなすように形成される。
さらに好ましくは、上部クラッディングの上に形成されたオーム接触層と、このオーム接触層を除いたトレンチ構造の全面に形成されたパッシベーション層と、少なくともオーム接触層の上に形成された上部電極と、基板の背面に形成された下部電極と、をさらに含む。
本発明によれば、反射型半導体光増幅器を構成する活性層の構造が最適化され、また、トレンチが形成されることによって、低い動作電流の条件であっても利得が高い。また、閾値電流が低いので、電力消費量が減少する。さらに、この反射型半導体光増幅器は、１．２５Ｇｂｐｓ以上でも動作することができる。従って、本発明の反射型半導体光増幅器がＷＤＭ-ＰＯＮで外部非干渉性光源と共に加入者光源として使用される場合には、温度変化により波長ロック特性が悪化するＦＰ-ＬＤと比較して、安定した動作が得られる。さらに、本発明の反射型半導体光増幅器は、高周波応答特性及び電力消耗量についてはＦＰ-ＬＤと同様になる。
また、本発明によれば、半導体光増幅器が有している固有の飽和特性によって、相対光強度雑音を除去することができる。
さらに、本発明による反射型半導体光増幅器は、信号を増幅すると同時に該増幅された信号を変調することができるので、弱い信号も増幅し、変調することができる。付加利益として、一つの素子によって二つの機能を遂行することができ、その結果、低コスト化を図ることができる。
以下、本発明の好適な実施形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。下記説明において、本発明の要旨のみを明瞭するために公知の機能又は構成についての詳細な説明は省略する。
図１は、本発明の一の実施形態による反射型半導体光増幅器を示し、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿って得られた断面図である。なお、図１及び図２における構成物質層の厚さ、幅、及び長さは、正確に表されたものではなく、これら物質層の実際のサイズ或いは比例的なサイズを意味しない。
図１及び図２を参照すると、本実施形態の反射型半導体光増幅器１００は、基板１０１と、下部クラッディング１０２，活性層１０３，及び上部クラッディング１０４を備える光導波路１０５と、電流遮断層１１１と、トレンチ１１２と、オーム接触層１１３と、パッシベーション層１１４と、上部電極１１５と、下部電極１１６と、ウィンドゥ領域１１７と、無反射面(anti-reflection；ＡＲ)１１８と、高反射面(high-reflection；ＨＲ)１１９と、を含む。
基板１０１は、化合物半導体基板であって、例えば、ｎ−ＩｎＰ基板である。
光導波路１０５は、ｎ−ＩｎＰ下部クラッディング１０２と、活性層１０３と、ｐ−Ｉｎｐ上部クラッディング１０４と、が順次に積層されることにより形成される。活性層１０３は、ｎ−ＩｎＰ基板１０１の上にＢＨ(Buried Heterostructure)構造で形成され、低い電流でも高い利得を得るために、例えば、８対（乃至１０対程度）の多重量子井戸(multi quantum well；ＭＱＷ)の構造で形成される。一般に、半導体レーザーは、上部電極に電流が印加されて電場が形成されると、半導体基板内で電子及び正孔が活性層へ移動し、このような電子と正孔との再結合によって、活性層内に光が発生する。
図３は、本発明による光導波路１０５、特に、活性層１０３の構造を示す。図３は、図１の矢印Ｂ方向での断面図である。図３を参照すると、光導波路１０５は、三つの領域、すなわち、直線導波路領域１０３ａと、屈曲導波路領域１０３ｂと、 テーパ導波路領域１０３ｃと、に大別される。
直線導波路領域１０３ａは、反射面(ＨＲ)で高反射率を誘導するために、反射面(ＨＲ)に対して垂直（直立）方向をなす。直線導波路領域１０３ａでは、活性層１０３の幅は略１．２μｍで、長さは略７００μｍである。なお、直線導波路領域１０３ａの長さについては、略４００μｍ乃至９００μｍの範囲とすることが好ましい。
屈曲導波路領域１０３ｂは、入／出射面における反射率を低くするための領域であり、光がその進行方向に対して１０°程度曲がるように誘導する。ここで、１０°程度曲がるための導波路の曲率半径は５７６μｍであり、この場合には、導波路の長さは約１００μｍである。導波路を大きい角度で曲げるほど、入／出射面における反射率が低くなるが、屈曲導波路領域１０３ｂでの損失が大きいので、利得が減少する。本実施形態では、利得リップル(ripple)を減らすために、この導波路の屈曲条件として１０°の傾斜（屈曲）角度を採択する。そして、損失が大きくなる部分は、活性層を多重量子井戸の構造で製造することにより補償される。
テーパ導波路領域１０３ｃは、その活性層の幅が１．２μｍから０．４μｍまで縮小され、これによりモード・サイズを変換することができるようにする。導波路の一端と入／出射面(ＡＲ)との間には、２０μｍの長さを有するウィンドゥ領域Ｗが位置し、この結果、入／出射面ＡＲでの反射率はさらに減少する。テーパ導波路領域１０３ｃは、ウィンドゥ領域Ｗを含めて略２００μｍの長さを有するように設計される。導波路の幅は、増幅器の特性に重要な影響を及ぼす。一般に、導波路の幅を狭くするほど閾値電流が低くなり、利得が大きくなる。しかしながら、導波路の幅が過度に狭くなると、光閉じ込め係数が低くなり、それにより利得が減少する。また、このテーパ導波路領域１０３ｃは、無反射面（ＡＲ)１１８に垂直な方向に対して略７°乃至１０°の角度をなすように形成されることが好ましい。
図１及び図２をさらに参照すると、電流遮断層１１１は、活性層以外の領域への電流の流れを遮断するために、ＢＨ構造を有する活性層１０３の周囲に形成されており、ｐ−ＩｎＰ層１０６と、ｎ−ＩｎＰ層１０７と、ｉ−ＩｎＰ層１０８と、ｎ−ＩｎＰ層１０９と、ｐ−ＩｎＰ層１１０と、の積層構造によって形成される。
トレンチ１１２は、チップの寄生容量を減らすためのものであり、活性層１０３の周囲の電流遮断層１１１及び基板１０１の一部を選択的にエッチングすることによって形成される。反射型半導体光増幅器のチップの全体の長さは、増幅器及び変調器の特性の全部に影響を及ぼす重要な要素である。利得は、チップの長さに比例するので、チップの長さを長くするほど利得が大きくなる。しかしながら、チップの長さが長くなるにつれて、寄生容量が増加し、高周波変調特性が劣化する。一般的に、反射型半導体光増幅器は、チップの長さとしては、レーザーダイオード(ＬＤ)よりも長い略１０００μｍの長さを有し、レージングを遂行しないので、高周波応答特性が劣化する。従って、本発明の実施形態では、活性層の周辺に深いトレンチを形成して、活性層の周辺に漏れる電流による寄生容量を減らすようにする。
オーム接触層１１３は、活性層１０３の上のｐ−Ｉｎｐ上部クラッディング１０４と上部電極１１５との間に形成される。一般に、半導体レーザーでは、ｐ側で陽電極と低い抵抗を実現するために、多量のｐ型ドーパントがドーピング(p-heavy doping)された薄いオーム接触層を電極の下端に形成することによって、陽電極とオーム接触層との間でオーム接触を実現する。
パッシベーション層１１４は、オーム接触層１１３を除いた上部構造の全面に、ＳｉＯ２層により形成され、これによりチップを保護する。
上部電極１１５は、オーム接触層１１３及びパッシベーション層１１４の一部の上に形成される。また、下部電極１１６は、電流遮断層１１１の反対側の基板１０１の背面に形成される。
ウィンドゥ領域１１７は、活性層１０３のテーパ導波路の一端と入／出射面(ＡＲ)との間で２０μｍの長さ（幅）で形成され、活性層１０２から出力された光を発散させる。これによって、ウィンドゥ領域１１７は、逆方向に進行する光により反射型半導体光増幅器１００に悪影響を及ぼすことを防止する。また、ウィンドゥ領域１１７は、より低い反射率を有するようにする。このようなウィンドゥ領域１１７は、基板１０１と同一の物質の再成長によって形成される。なお、ウィンドゥ領域１１７は、その幅が略１５乃至２５μｍの範囲とすることが好ましい。
無反射面１１８は、当該増幅器１００の入／出射面上にコーティングされ、ウィンドゥ領域１１７と共に、反射光を最小化する。
高反射面１１９は、反射型半導体光増幅器１００の他端にコーティングされ、該コーティング面（入射面）に入射された光をすべて反射する。すなわち、高反射面１１９は、入射面に入射された光がこの入射面を通じてその反対方向に反射され出射される単一の入出力構造を備えるように形成される。
図４乃至図６は、本発明による反射型半導体光増幅器の特性を示す。すなわち、図４は利得曲線を、図５は利得スペクトルを、図６は電流対光強度の特性を、それぞれ示す。
図４乃至図６を参照すると、本発明による反射型半導体光増幅器は、略３０ｄＢの利得、略１．９ｄＢの利得リップル、及び略１６ｍＡの閾値電流Ｉｔｈの特性を有する。従って、閾値電流は小さく、また、利得は高い。さらに、高い利得と比較して利得リップルは非常に減少することが分かる。
図７Ａ及び図７Ｂは、本発明による反射型半導体光増幅器の高周波応答特性を、従来の一般な反射型半導体光増幅器と比較して示したグラフである。図７Ａは、チップの長さが１０００μｍであり、トレンチを備えた本発明による反射型半導体光増幅器の高周波応答特性を示し、図７Ｂは、チップの長さが５００μｍであり、トレンチを備えない従来の反射型半導体光増幅器の高周波応答特性を示す。
図７Ａでは、３ｄＢ帯域幅が約３．５ＧＨｚである一方、図７Ｂでは３ｄＢ帯域幅が約１．２５ＧＨｚである。特に、トレンチの形成によって、チップの長さが長くなっても、高周波応答特性が改善する。
図８Ａ及び図８Ｂは、図７Ａ及び図７Ｂで比較した反射型半導体光増幅器を用いた伝送実験の結果を比較したグラフである。図８Ａ及び図８Ｂを参照すると、１．２５Ｇｂｐｓの速度で単一モード光ファイバーを用いて２５ｋｍの距離を伝送した後に、ビットエラー率(bit error rate；ＢＥＲ)を測定した結果、本発明による反射型半導体光増幅器(図８Ａ)は、従来の素子(図８Ｂ)と比較して非常に低い動作電流及び非常に低い注入光の強度の条件でも動作可能であることが分かる。
以上、本発明を具体的な実施形態を参照して詳細に説明したが、本発明の範囲は前述の実施形態に限定されるべきではなく、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なものの範囲内で様々な変形が可能なことは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。
本発明の好適な一の実施形態による反射型半導体光増幅器の斜視図である。 図１のＡ-Ａ線に沿って得られた断面図である。 本発明による活性層の構造を示す図である。 本発明による反射型半導体光増幅器の利得特性を示す図である。 本発明による反射型半導体光増幅器の利得スペクトルを示す図である。 本発明による反射型半導体光増幅器の電流対光強度の特性を示す図である。 本発明による反射型半導体光増幅器の高周波応答特性を示すグラフである。 従来の一般的な反射型半導体光増幅器の高周波応答特性を示すグラフである。 本発明による反射型半導体光増幅器の伝送特性を示すグラフである。 従来の一般な反射型半導体光増幅器の伝送特性を示すグラフである。
符号の説明
１００ 反射型半導体光増幅器
１０１ 基板
１０２ 下部クラッディング
１０３ 活性層
１０３ａ 直線導波路領域
１０３ｂ 屈曲導波路領域
１０３ｃ テーパ導波路領域
１０４ 上部クラッディング
１０５ 光導波路
１１１ 電流遮断層
１１２ トレンチ
１１７ ウィンドゥ領域
１１８ 無反射面
１１９ 高反射面

Claims (7)

  1. 基板と、
    前記基板の上に下部クラッディング、活性層、及び上部クラッディングが順次に積層され、直線導波路領域、屈曲導波路領域、及びテーパ導波路領域を備えるＢＨ構造(Buried Heterostructure)を有する光導波路と、
    前記光導波路の周囲に形成され、前記光導波路の活性層以外の領域への電流の流れを遮断する電流遮断層と、
    前記活性層の周辺に漏れる電流による寄生容量を減らすために、前記光導波路の周囲の前記電流遮断層及び前記基板の一部の選択エッチングによって形成されたトレンチと、
    前記テーパ導波路領域の終端に形成されたウィンドゥ領域と、
    前記ウィンドゥ領域の終端に形成された無反射面と、
    前記直線導波路領域の終端に形成され入力光を反射する高反射面と、
    を含んでなることを特徴とする反射型半導体光増幅器。
  2. 前記活性層は、８対乃至１０対の多重量子井戸を有する構造で形成されたこと
    を特徴とする請求項１記載の反射型半導体光増幅器。
  3. 前記直線導波路領域は、略４００μｍ乃至９００μｍの長さを有し、前記屈曲導波路領域は、略１００μｍの長さを有し、前記テーパ導波路領域は、略１８０μｍの長さを有すること
    を特徴とする請求項１記載の反射型半導体光増幅器。
  4. 前記屈曲導波路領域は、前記直線導波路領域と前記テーパ導波路領域との間に、連続的に接続されること
    を特徴とする請求項１記載の反射型半導体光増幅器。
  5. 前記ウィンドゥ領域は、略１５μｍ乃至２５μｍの幅を有するように形成されること
    を特徴とする請求項３記載の反射型半導体光増幅器。
  6. 前記テーパ導波路領域は、前記無反射面に垂直な方向に対して略７°乃至１０°の角度をなすように形成されること
    を特徴とする請求項１及び３のいずれか１項に記載の反射型半導体光増幅器。
  7. 前記上部クラッディングの上に形成されたオーム接触層と、
    前記オーム接触層を除いた前記トレンチ構造の全面に形成されたパッシベーション層と、
    少なくとも前記オーム接触層の上に形成された上部電極と、
    前記基板の背面に形成された下部電極と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の反射型半導体光増幅器。
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