JP2007221172A - 偏波無依存型半導体光増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】 偏波無依存型半導体光増幅器に関し、偏波間の利得差をなくすことと、飽和光出力を増大させることを両立する。
【解決手段】 偏波無依存型半導体光増幅器を構成する伸張歪を導入したバルク結晶からなる歪バルク活性層３の層厚を２０ｎｍ〜９０ｎｍとし、歪量を−０．１０％〜−０．６０％とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、偏波無依存型半導体光増幅器に関するものであり、特に、波長多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）通信方式に用いる小型且つ低消費電力でファイバ結合飽和光出力の大きな偏波無依存型半導体光増幅器に関する。

近年、通信需要の飛躍的な増大に対して波長の異なる複数の信号光を多重化して一本の光ファイバで同時に伝達させる波長多重通信システムの開発が進んでいる。この波長多重通信システムにおいては、合波、分波のために数多くの光部品が使用されるため、各光部品の損失によって光信号が減衰することになる。

このような減衰を補償するために光増幅器が使用されるが、従来の光ファイバシステムの場合と比較して非常に数多くの光増幅器が必要とされるため、光増幅器には小型で低消費電力動作が可能であることが要求される。

また、このようなインラインで使用される光増幅器には、入力信号光の偏波状態がランダムなため利得の偏波依存性が小さいこと、入力信号光のパワーレベルの変動が大きいため広い入力ダイナミックレンジをもつようにファイバ結合飽和光出力が大きいこと、等が要求される。

このような各種の光増幅器のうち、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）は、小型且つ低消費電力であり、また、偏波無依存となるように設計できるので、波長多重通信システムに用いる損失補償用光増幅器として期待されている。

従来より、このような光ファイバ通信で用いられる波長帯の１．５５μｍ帯に対応した偏波無依存型半導体光増幅器が開発されているので、以下において説明する。

なお、内部利得とは光増幅器自体の利得であり、ファイバ間利得とは、入力側光ファイバと出力側光ファイバとの間にレンズ等の光結合用光学系を介して光増幅器を設けたシステムにおける、入力側光ファイバの出射端面と出力側光ファイバの入射端面間における光学系による損失を考慮したシステム全体としての利得である。

また、素子端面飽和光出力とは、内部利得が３ｄＢ低下するときの素子端面光出力であり、また、ファイバ結合飽和光出力とは、ファイバ間利得が３ｄＢ低下するときのファイバ結合光出力である。

まず、無歪バルク活性層を用いたものとしては、AlcatelのP.Dussiere等によって、厚さ４３０ｎｍ、幅５００ｎｍのバルク活性層を用い、素子長８００μｍ、注入電流２００ｍＡで、偏波間利得差０．５ｄＢ以下、ファイバ間利得２９ｄＢ、ファイバ結合飽和光出力＋９ｄＢ_mの素子を実現している（例えば、P.Doussiere et al., IEEE Photon. Technol. Lett., vol.6, pp.170-172, 1994、及び、P.Doussiere et al., OAA'95, pp.119-122を参照）。

また、無歪井戸層と伸張歪障壁層とからなる歪多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）活性層を用いたものとしては、ＮＴＴの曲等によって、厚さが５ｎｍで歪量が０％の１０層の井戸層と、厚さが５ｎｍで歪量が−１．７％の１１層の障壁層とからなる歪ＭＱＷ層を、厚さ５０ｎｍ及び１００ｎｍの光閉じ込め（ＳＣＨ：Separate Confinement Heterostructure）層で挟んだものを用い、素子長６６０μｍ、注入電流２００ｍＡで、偏波間利得差１．０ｄＢ以下、内部利得２７ｄＢ（ファイバ間利得１３ｄＢ）、素子端面飽和光出力＋１４．０ｄＢ_m（ファイバ結合飽和光出力＋７．０ｄＢ_m）の素子を実現している（例えば、K.Magari et al., IEEE Photon. Technol. Lett., vol.2, pp.556-558, 1990、K.Magari et al., IEEE Photon. Technol. Lett., vol 3, pp.998-1000, 1991、及び、K.Magari et al., IEEE J. Quantum Electron., vol.30, pp.695-702, 1994を参照）。

また、同じく無歪井戸層と伸張歪障壁層とからなる歪ＭＱＷ活性層を用いたものとしては、ＢＴのA.E.Kelly等によって、歪量が０％の１０層の井戸層と、歪量が−０．６７％の１１層の障壁層とからなる歪ＭＱＷ層を、厚さ２５ｎｍの光閉じ込め層で挟んだものを用い、素子長２０００μｍ、注入電流２００ｍＡで、偏波間利得差０．５ｄＢ以下、ファイバ間利得２７ｄＢ、ファイバ結合飽和光出力＋７．５ｄＢ_mの素子を実現している（例えば、A.E.Kelly et al., Electron Lett., vol.32, pp.1835-1836, 1996、及び、A.E.Kelly et al., Electron Lett., vol.33, pp.536-538, 1997を参照）。

また、圧縮歪井戸層及び伸張歪井戸層と無歪障壁層とからなる歪ＭＱＷ活性層を用いたものとしては、ＡＴＴのM.A.Newkirk等によって、厚さが３．５ｎｍで歪量が＋１．０％の３層の圧縮歪井戸層、厚さが１６．０ｎｍで歪量が−１．０％の３層の伸張歪井戸層と、厚さが１０ｎｍで歪量が０％の７層の障壁層とからなる歪ＭＱＷ層を用い、素子長６２５μｍ、注入電流１５０ｍＡで、偏波間利得差１．０ｄＢ以下、内部利得１３ｄＢ（ファイバ間利得４．４ｄＢ）、素子端面飽和光出力＋１１．１ｄＢ_m（ファイバ結合飽和光出力＋６．８ｄＢ_m）の素子を実現している（例えば、M.A.Newkirk et al., IEEE Photon. Technol. Lett., vol.4, pp.406-408, 1993を参照）。

また、圧縮歪井戸層と伸張歪障壁層とからなる歪ＭＱＷ活性層を用いたものとしては、ＣＮＥＴのD.Sigogne等によって、厚さが８ｎｍで歪量が＋１．１％の１６層の圧縮歪井戸層、厚さが７ｎｍで、歪量が−０．９％の１６層の伸張歪障壁層とからなる歪ＭＱＷ層を用い、素子長９４０μｍ、注入電流１５０ｍＡで、偏波間利得差１．０ｄＢ以下、ファイバ間利得２３ｄＢ、素子端面飽和光出力＋７．０ｄＢ_m（ファイバ結合飽和光出力＋３．５ｄＢ_m）の素子を実現している（例えば、A.Ougazzaden et al., Electron. Lett., vol.31, pp.1242-1244, 1995、D.Sigogne et al., ECOC95, pp.267-270、及び、D.Sigogne et al., Electron. Lett., vol.32, pp.1403-1405, 1996を参照）。

さらに、伸張歪バルク活性層を用いたものとしては、AlcatelのJ.Y.Emery等によって、厚さ２００ｎｍのバルク活性層の両端を厚さ１００ｎｍの光閉じ込め層で挟み、活性層幅１．２μｍのときに、−０．１５％の伸張歪を活性層に導入したものを用い、素子長１０００μｍ、注入電流２００ｍＡで、偏波間利得差０．３ｄＢ以下、ファイバ間利得２９ｄＢ、ファイバ結合飽和光出力＋９．５ｄＢ_mの素子を実現している（例えば、J.Y.Emery et al., ECOC96, vol.3. pp.165-168、及び、J.Y.Emery et al., Electron. Lett., vol.33, pp.1083-1084, 1997を参照）。

上述のように、各種の活性層構造を有する偏波無依存型半導体光増幅器が研究されているが、このような半導体光増幅器において大きな入力ダイナミックレンジを得るためには、そのレンジの上限を与えるファイバ結合飽和光出力をできるだけ大きくする必要があり、例えば、１．５５μｍ帯の偏波依存性を有する半導体光増幅器の場合には、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層構造によって素子端面飽和光出力として＋１９．５ｄＢ_mが得られている。

しかし、１．５５μｍ帯の偏波無依存型半導体光増幅器の場合には、ファイバ結合飽和光出力は最大でも上記のAlcatelのJ.Y.Emery等による伸張歪バルク活性層を用いた場合の＋９．５ｄＢ_mに止まっており、ファイバとの結合損失の２．５ｄＢを考慮すると、偏波依存型に比べて７．５ｄＢも劣っている。

このように、偏波無依存型半導体光増幅器において、ファイバ結合飽和光出力が小さかった原因は、偏波無依存とするために課せられている活性層の構造上の制約が、大きな飽和光出力を得ることを阻んでいるためである。

また、AlcatelのP.Dussiere等のように、無歪バルク活性層を用いた場合には、活性層における光閉じ込めの偏波無依存化のために活性層断面を矩形としているが、活性層断面のサイズは、下限は作成技術の限界により３００ｎｍ角となり、一方、上限は基本モードを維持する条件から６００ｎｍ角に限られ、素子の設計自由度が小さいものとなる。

また、歪多重量子井戸活性層を用いた場合には、活性層におけるＴＥ偏光に対する材料利得の増大と扁平活性層によるＴＥ偏光に対する光閉じ込めの増大を打ち消すために、大きな伸張歪を用いてＴＭ偏光に対する材料利得を増大させなければならない。

しかし、このように大きな伸張歪を用いた場合には、量子効果と伸張歪効果が共に利得ピーク波長を短波長化し、さらに、注入電流の増加によるバンドフィリング効果により利得ピーク波長が短波長化するために、波長１．５５μｍ付近で必要な利得を得るためには、障壁層に伸張歪を加えて障壁層での電子−ライトホール遷移を利用したり、井戸層の層厚を厚くして量子効果による短波長化を抑える等の制限が加わるため、大きなファイバ結合飽和光出力を得るための構造設計に対して自由度がずっと小さくなるという問題がある。

ここで、図１４を参照して、Alcatel（アルカテール）による従来の伸張歪バルク活性層を用いた偏波無依存型半導体光増幅器を説明する。

図１４は、偏波無依存型半導体光増幅器の概略的斜視図であり、前半分においては活性層の状態を表すように、ｐ型ＩｎＰ埋込層３７、プロトン注入領域３８，３９、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層４０、及び、ｐ型電極４２の図示を省略している。また、この図では、スポットサイズ変換領域や窓領域などを省略した概略図として表している。

この偏波無依存型半導体光増幅器においては、厚さ２００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ歪バルク活性層３４の上下に厚さ１００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層（ＳＣＨ層）３３，３５を設けた構造にするとともに、ストライプ幅を１．２μｍとした構造になっている。

なお、ストライプ状のＩｎＧａＡｓＰ歪バルク活性層３４の光軸は光入出力端面の法線と７°の傾き角で交わっている。

このように２００ｎｍと厚い活性層を用いて、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の光閉じ込め係数比を小さくすることで、必要な伸張歪を−０．１５％と小さく抑えるように意図して設計されており、それによって、偏波間利得差が低減されるので、一方の端面から出射した信号入力光４６は偏波に依存することなく増幅されて増幅出力光４７として出力される。

なお、両方の端面には無反射コート膜（ＡＲ膜）４４，４５が設けられているので、信号入力光４６の共振は抑制される。

しかし、上述のように、この伸張歪バルク活性層を用いた偏波無依存型半導体光増幅器の場合にも、ファイバ結合飽和光出力は＋９．５ｄＢ_mであり、偏波依存型の場合の素子端面飽和光出力の＋１９．５ｄＢ_mと比べて、ファイバとの結合損失２．５ｄＢを考慮してもいまだ大幅に小さな値であった。

この伸張歪バルク活性層を用いた偏波無依存型半導体光増幅器の場合には、まだ臨界膜厚に達していないためより大きな歪を加えることが可能であり、したがって、活性層構造を変えることによって素子端面の飽和光出力を増大し、その結果、ファイバ結合飽和光出力を増大することが可能である。

本発明の目的は、偏波間の利得差をなくすことと、飽和光出力を増大させることを両立して、構造設計に対する自由度を小さくすることなくファイバ結合飽和光出力を増大することにある。

ここで、図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。

なお、図１（ａ）は上面図であり、また、図１（ｂ）は光軸の垂直方向に沿った概略的断面図である。

また、図において、符号１，６はクラッド層であり、符号４はストライプ状メサであり、符号５は埋込層である。

本発明は、伸張歪を導入したバルク結晶からなる歪バルク活性層３を有し、光入射端面７と光出射端面８との間における反射による光の共振を抑制し、歪バルク活性層３のバンド・ギャップ波長とほぼ等しい波長の信号光９を光入射端面７から入射し、歪バルク活性層３に電流注入して誘導放出効果により信号光９を増幅し、光出射端面８から増幅した信号光１０を出射し、その単一透過利得が入射信号光９の偏波状態によらずほぼ一定である偏波無依存型半導体光増幅器であって、歪バルク活性層３の層厚が２０ｎｍ〜１００ｎｍであり、歪量が−０．０９％〜−０．６０％であることを特徴とする。

このように、偏波無依存型半導体光増幅器を構成する歪バルク活性層３の層厚ｄを２０ｎｍ〜１００ｎｍとし、歪量を−０．０９％〜−０．６０％とすることによって、偏波無依存性を保ちながら、飽和光出力を大きくすることができる。

すなわち、一般に、半導体光増幅器の飽和光出力Ｐ_sは、活性層３の幅をｗ、活性層３の層厚をｄ、光閉じ込め係数をΓ、光子エネルギーをｈν、キャリア寿命をτ、及び、微分利得をａとした場合、
Ｐ_s＝（ｗ・ｄ／Γ）×ｈν／（τ・ａ）
で表されるので、歪バルク活性層３の層厚ｄを薄くすることによって光閉じ込め係数Γを小さくし、それによってモード断面積（ｗ・ｄ／Γ）を増大させるとともに、キャリア密度の増大によるキャリア寿命τの減少効果が加わり、飽和光出力が増大する。

一方、歪バルク活性層３の薄膜化により断面形状の扁平度が高くなると、偏波間の光閉じ込め比が大きくなり、必要な歪量が増大するが、２０ｎｍ〜１００ｎｍの場合には、歪量を−０．０９％〜−０．６０％とすることによって、偏波無依存性を保つことができる。

厚い活性層を厚い光閉じ込め層で挟んだとき、偏波間の光閉じ込め比が小さくなり、偏波無依存化のために要する歪量が小さくなる。厚さ１００ｎｍの歪バルク活性層３の場合、ストライプ幅を１μｍ以上とした場合の基本モード導波条件を考慮すると、厚さ３００ｎｍ、組成１．２μｍの光閉じ込め層で挟むことが可能であり、偏波無依存化のために要する歪量−０．０９％となる。

一方、薄い活性層を光閉じ込め層で挟まないとき、偏波間の光閉じ込め比が大きくなり、偏波無依存化のために要する歪量が大きくなる。厚さ２０ｎｍの歪バルク活性層３の場合、光閉じ込め層がないと偏波無依存化のために要する歪量は−０．６０％となる。

また、後述のように、歪バルク活性層３の層厚の上限を約９０ｎｍ或いは約８０ｎｍとすることにより、より良好な飽和光出力を得ることができる。なお、活性層厚が９０ｎｍのとき歪量の下限は約−０．１０％となり、活性層厚が８０ｎｍのとき歪量の下限は約−０．１１％となる。

なお、歪バルク活性層３の層厚が薄くなり量子効果が顕在化すると、ＴＥ偏光に対する材料利得が大きくなり、より大きな歪量が必要になるので、活性層厚２０ｎｍが下限の目安であると考えられる。また、後述のように、活性層厚が２５ｎｍ或いは３０ｎｍとすることにより、量子効果を抑制できる。なお、活性層厚２５ｎｍのとき歪量の上限は−０．４５％となり、活性層厚が３０ｎｍのとき歪量の上限は−０．４４％となる。

また、本発明は、上記の偏波無依存型半導体光増幅器において、歪バルク活性層３が、歪バルク活性層３の層厚方向に歪バルク活性層３に接するように設けた光閉じ込め層２によって挟まれていることを特徴とする。

このように、歪バルク活性層３を光閉じ込め層（ＳＣＨ層）２で挟むことによって、偏波間の光閉じ込め比を小さくし、モード断面積（ｗ・ｄ／Γ）をより大きくすることができる。

また、この場合、歪バルク活性層３の軸方向を光出射端面８の法線に対して７〜１０°傾けることによって、光入射端面７と光出射端面８との間における反射による光の共振を抑制することができ、出力にリップルが発生しない半導体光増幅器を構成することができる。

また、この場合、歪バルク活性層３の幅を、素子中央から光出射端面８の方向に向かって、平均で単位長さ当たり１／１０００以上の割合で徐々に狭くなるようにテーパ状にすることによって、光ファイバ等の光学系との光結合効率を高めることが望ましい。

なお、４００μｍの長さにおいて、幅１．０μｍから幅０．６μｍに低減した場合には、（１．０−０．６）／４００＝１／１０００となる。

或いは、歪バルク活性層３の層厚を、素子中央から光出射端面８の方向に向かって、光出射端面８側の端部における層厚が素子中央における層厚の１／２以下になる割合で徐々に薄くなるようにテーパ状にしてもよく、光ファイバ等の光学系との光結合効率を高めることができる。

また、光出射端面８の側において、光出射端面８から２０〜５０μｍの領域が活性層３の存在しないクラッド層からなるいわゆる窓構造にすることが望ましく、それによって、光出射端面８における信号光９の反射を防止することができるので、増幅された信号光１０におけるリップルの発生をより確実に防止することができる。

以上の通り、本発明によれば、活性層の層厚を２０〜９０ｎｍにすることによって、偏波無依存性を保ったままでファイバ結合飽和光出力を大幅に増大することができ、それによって、入力ダイナミックレンジを広くすることができるので、入力信号光のパワーレベルの大きな変動に対応できる高性能の偏波無依存型半導体光増幅器を実現することができ、ひいては、波長多重光通信システムの実用化に寄与するところが大きい。

本発明の実施の形態による偏波無依存型半導体光増幅器を図２乃至図１３を用いて説明する。

まず、図２乃至図６を参照して、半導体光増幅器における活性層厚と飽和光出力の相関、及び、活性層厚と偏波無依存性を保持するための歪量の相関を説明する。

一般に、半導体光増幅器の飽和光出力Ｐ_sは、活性層幅をｗ、活性層厚をｄ、光閉じ込め係数をΓ、光子エネルギーをｈν、キャリア寿命をτ、及び、微分利得をａとした場合、
Ｐ_s＝（ｗ・ｄ／Γ）×ｈν／（τ・ａ）
で表される。

したがって、飽和光出力を増大する方針としては、(1) モード断面積（ｗ・ｄ／Γ）を増大させる、(2) キャリア寿命τを減少させる、(3) 微分利得ａを減少させる、の３つの方法が考えられる。そこで、活性層の厚さを薄くしたときに、飽和光出力に影響を与える上記３つのパラメータがどのように変化するかについて考察する。

まず、上記(1)のモード断面積の活性層厚依存性を考える。モード断面積は（ｗ・ｄ／Γ）で表されるが、分母にある光閉じ込め係数Γは活性層の層厚ｄによって変化することから、ｄ／Γの活性層厚依存性を考える必要がある。活性層が薄くなると光のフィールドの広がり方が大きくなり、活性層の層厚ｄの減少よりも光閉じ込め係数Γの減少の割合が顕著になる。その結果、層厚ｄの減少に伴い、ｄ／Γが増大し、モード断面積は増大する。

図２は、組成１．２μｍ、層厚１００ｎｍの光閉じ込め層を用い、活性層幅ｗが１．０μｍで一定の場合の結果を示すものである。図から明らかなように、活性層厚をできるだけ薄くすることによってモード断面積を大きくすることが理解される。特に、活性層厚ｄが１００ｎｍ以下の場合に、モード断面積の増大が顕著になる。

次に、上記(2)のキャリア寿命の活性層厚依存性を考える。キャリア寿命τは、Ｎをキャリア密度、Ａを非発光再結合係数、Ｂを発光再結合係数、Ｃをオージェ再結合係数として、
τ＝１／（Ａ＋ＢＮ＋ＣＮ²）
で表される。したがって、キャリア密度Ｎを増大するほどにキャリア寿命τが減少することが判る。

注入電流を一定として素子を駆動した場合、活性層が薄くなるほどキャリア密度Ｎは増大するため、キャリア寿命τが減少する。活性層厚が１．０μｍ、素子長が９００μｍ、注入電流が４００ｍＡで一定の場合の、キャリア寿命の逆数の活性層厚依存性の計算結果を図３に示す。図から明らかなように、活性層を薄くすることでキャリア寿命τを小さくできることが判る。

次に、上記(3)の微分利得の活性層厚依存性を考える。半導体光増幅器では、飽和光出力の増大と雑音指数の低減のために、信号光波長λ_sは利得ピーク波長λ_pよりも長波側になるように使用される。一般に、微分利得ａはλ_s−λ_pが大きいほど小さくなる。このため、微分利得ａを低減するには所望の利得が取れる範囲においてλ_pはできるだけ短波化することが望ましい。上述のように活性層の層厚厚ｄが薄くなるほどにキャリア密度Ｎが増大するが、キャリア密度Ｎが増大するとバンドフィリング効果によって利得ピーク波長λ_pが短波側へシフトする。この結果、λ_s−λ_pが大きくなり、微分利得ａを低減することができる。したがって、活性層を薄くすることで微分利得を小さくできることが判る。

以上より、活性層を薄層化することにより、モード断面積の増大、キャリア寿命の減少、微分利得の減少が相乗的に作用し、飽和光出力の大幅な増大が期待できる。そこで、以上の結果をすべて考慮し、素子端飽和光出力Ｐ_sの活性層厚依存性を計算した結果を図４に示す。図から明らかなように、活性層厚ｄが約１００ｎｍ以下の場合に、飽和光出力Ｐ_sの増大が顕著になり、従来の活性層厚ｄが２００ｎｍの場合の飽和光出力Ｐ_sの２倍以上を得るためには、活性層厚ｄを９０ｎｍ以下にすることが望ましい。

光ファイバに結合する出力光としては、約１０ｄＢ_m（約１０ｍＷ）以上の光出力が好ましい。未飽和の状態で約１０ｄＢｍの光出力を得るには、約１３ｄＢ_m（約２０ｍＷ）程度の飽和光出力が要求される。ファイバとの結合損失３ｄＢを考慮すると、素子端飽和光出力としては約１６ｄＢ_m（約４０ｍＷ）を確保することが必要である。約１６ｄＢ_m以上の素子端飽和光出力を得るためには、図４に示すように、活性層を約８０ｎｍ以上とすることが望ましい。

一方、歪バルク活性層３の薄層化により断面形状の扁平度が強くなると、偏波間の光閉じ込め比が大きくなり、偏波無依存に必要な歪量が増大する。そこで、偏波間の光閉じ込め比の活性層厚依存性と、この比を相殺するために必要な伸張歪量を計算した。その結果を図５に示す。なお、光閉じ込め層は組成１．２μｍ、層厚１００ｎｍを仮定した。

図から明らかなように、活性層の層厚ｄが薄くなるにしたがって偏波間の光閉じ込め比が増大し、その結果、この比を相殺するために必要な伸張歪量も増大することが理解される。また、活性層厚ｄが１０ｎｍ付近までは、歪量−０．３％程度で偏波間の光閉じ込め比を相殺することができると考えられる。

しかし、活性層厚ｄが薄くなり量子効果が顕在化する領域では、ＴＥ偏光に対する材料利得が大きくなり、より大きな歪量が必要になる。そこで、量子効果が強くならない範囲で薄層化する活性層の厚さの下限をとどめる必要がある。一般的には、量子効果は活性層厚ｄが約２０ｎｍ程度以下で顕在化すると考えられるので、活性層厚ｄは２０ｎｍ以上に設定することが望ましい。

また、量子効果の強さの一つの尺度として、伝導帯側の量子井戸の基底準位のエネルギーＥ_c0と第一準位のエネルギーＥ_c1との間のエネルギー準位差ΔＥ_c01を考えれば、これが熱励起エネルギーｋＴと同程度以下になれば量子効果が弱まりバルク的であると判断できる。

ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系においてこのエネルギー準位差ΔＥ_c01の活性層厚依存性を計算した結果を図６に示す。図示するように、活性層が薄くなるにつれてエネルギー準位差ΔＥ_c01は小さくなり、やがてｋＴ以下となる。エネルギー準位差ΔＥ_c01がｋＴと同程度となる活性層の厚さは障壁層の組成に依存するが、活性層がＩｎＧａＡｓで障壁層が１．２μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰの場合には、図示するように約２５ｎｍである。

活性層厚の下限値は、上記エネルギー準位差と活性層厚との関係に基づき、材料系や層構造に応じて適宜求めることができる。量子効果による影響を確実に防止して、伸張歪量に関する条件を緩和するためには、活性層厚ｄを３０ｎｍ以上にすることが望ましい。

なお、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の場合、活性層厚ｄが２５ｎｍの場合には歪量の上限は約−０．４５％となり、活性層厚ｄが３０ｎｍの場合には歪量の上限は約−０．４４％となる。

次に、図７及び図８を参照して、このような前提を基に作製した本発明の実施の形態の偏波無依存型半導体光増幅器の概略的構成を説明する。

図７及び図８は本発明の偏波無依存型半導体光増幅器の概略的斜視図であり、前半分においては活性層の状態を表すように、ｐ型ＩｎＰ電流ブロック層１７、ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層１８、ｐ型ＩｎＰクラッド層１６，１９、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０、ＳｉＯ₂膜２１、及び、ｐ型電極２２の図示を省略している。

まず、ｎ型ＩｎＰ基板１１上に、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いて、厚さが、例えば、３００ｎｍのｎ型ＩｎＰバッファ層１２、厚さが、例えば、１００ｎｍで、１．２μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１３、歪量が−０．１９〜−０．３０％で、厚さｄが２０〜１００ｎｍで、ＰＬ波長組成が１．６０μｍのＩｎＧａＡｓＰ歪バルク活性層１４、厚さが、例えば、１００ｎｍで、１．２μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１５、及び、ｐ型ＩｎＰクラッド層１６を順次堆積させる。

なお、この場合、ＩｎＧａＡｓＰ歪バルク活性層１４の具体的な厚さとしては、１００ｎｍ、７５ｎｍ、及び、５０ｎｍの素子を作製し、その場合の歪量は、それぞれ、−０．１９％、−０．２１％、及び、−０．２４％の伸張歪とした。

次いで、ＳｉＯ₂膜を全面に堆積させたのち、ダイレクトコンタクト露光方式を用いて、劈開面となる面に対して長軸が７〜１０°、例えば、７°傾き、且つ、幅が０．６〜１．４μｍ、例えば、１．０μｍのストライプ状の形状にパターニングし、このストライプ状のＳｉＯ₂マスク（図示せず）を用いて、Ｃ₂Ｈ₆＋Ｈ₂＋Ｏ₂を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって、ｎ型ＩｎＰバッファ層１２に達するまでメサエッチングを行い、活性層幅ｗが０．６〜１．４μｍ、例えば、１．０μｍのストライプ状メサを形成する。

この際、図８に示すように、最終的な素子構造において光出射端面側の２００μｍにおける活性層幅ｗが光出射端面側に向かって１．０μｍから０．４μｍに徐々に狭くなるテーパ状にして、光結合効率の増大を図った。

次いで、ＳｉＯ₂マスクをそのまま選択成長マスクとして用い、ストライプ状メサの側壁にｐ型ＩｎＰ電流ブロック層１７及びｎ型ＩｎＰ電流ブロック層１８を選択成長させる。

次いで、ＳｉＯ₂マスクを除去したのち、全面にｐ型ＩｎＰクラッド層１９及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０を順次堆積させる。

次いで、全面にＳｉＯ₂膜２１を堆積させたのち、ストライプ状メサに投影的に重なる開口部を形成したのち、ｐ型電極２２を形成するとともに、ｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面にはｎ型電極２３を形成する。

次いで、劈開面に沿って劈開したのち、劈開面に無反射コート膜２４，２５を堆積することによって、偏波無依存型半導体光増幅器の基本構成が完成する。

この偏波無依存型半導体光増幅器においては、劈開面、すなわち、光入射端面と光出射端面には無反射コート膜２４，２５が設けられているので、光入射端面と光出射端面との間における反射による光の共振は抑制され、１．５５μｍ近傍の信号入力光２６をＩｎＧａＡｓＰ歪バルク活性層１４において誘導放出効果により増幅し、光出射端面から増幅した増幅出力光２７として出射する。

次に、図９乃至図１３を参照して、本発明の実施の形態の作用効果を説明する。

なお、図９乃至図１０に示す評価では、活性層厚を変えた３種類の素子について、各素子でのファイバ間利得がそれぞれ１９〜２１ｄＢとなるように素子長を調整し、電流密度をほぼ一定としている。すなわち、活性層厚１００ｎｍの場合には、素子長を６００μｍ、電流を２５０ｍＡとし、活性層厚７５ｎｍの場合には、素子長を９００μｍ、電流を４００ｍＡとし、活性層厚５０ｎｍの場合には、素子長を１２００μｍ、電流を５００ｍＡとした。また、活性層幅は１．１〜１．４μｍとした。

図９は、ＩｎＧａＡｓＰ歪バルク活性層１４の層厚ｄを１００ｎｍとした場合の、ファイバ間利得対ファイバ結合光出力特性を示す図である。図中、○印はＴＭ偏光に対するファイバ結合光出力を表し、Ｐ_s ^TMはＴＭ偏光に対するファイバ結合飽和光出力である。また、●印はＴＥ偏光に対するファイバ結合光出力を表し、Ｐ_s ^TEはＴＥ偏光に対するファイバ結合飽和光出力である。なお、ファイバ間利得が３ｄＢ低下するときのファイバ結合光出力を、ファイバ結合飽和光出力とする。

図から明らかなように、ファイバ結合光出力の増大とともにファイバ間利得は低下し、ファイバ間利得の最大値である約２１ｄＢに対し、３ｄＢ低下したファイバ結合飽和光出力は、ＴＥ偏光に対して＋１２．５ｄＢ_m、ＴＭ偏光に対して＋１２．７ｄＢ_mであった。

なお、この場合の偏波間利得差は０．５ｄＢ以内である。

図１０は、ＩｎＧａＡｓＰ歪バルク活性層１４の層厚ｄを７５ｎｍとした場合の、ファイバ間利得対ファイバ結合光出力特性を示す図である。図中、○印はＴＭ偏光に対するファイバ結合光出力を表し、Ｐ_s ^TMはＴＭ偏光に対するファイバ結合飽和光出力である。また、●印はＴＥ偏光に対するファイバ結合光出力を表し、Ｐ_s ^TEはＴＥ偏光に対するファイバ結合飽和光出力である。

図から明らかなように、ファイバ結合光出力の増大とともにファイバ間利得は低下し、ファイバ間利得の最大値である約２０ｄＢに対し、３ｄＢ低下したファイバ結合飽和光出力は、ＴＥ偏光に対して＋１４．５ｄＢ_m、ＴＭ偏光に対して＋１４．６ｄＢ_mであった。

なお、この場合も、偏波間利得差は０．５ｄＢ以内である。

図１１は、ＩｎＧａＡｓＰ歪バルク活性層１４の層厚ｄを５０ｎｍとした場合の、ファイバ間利得対ファイバ結合光出力特性を示す図である。図中、○印はＴＭ偏光に対するファイバ結合光出力を表し、Ｐ_s ^TMはＴＭ偏光に対するファイバ結合飽和光出力である。また、●印はＴＥ偏光に対するファイバ結合光出力を表し、Ｐ_s ^TEはＴＥ偏光に対するファイバ結合飽和光出力である。

図から明らかなように、ファイバ結合光出力の増大とともにファイバ間利得は低下し、ファイバ間利得の最大値である約１９ｄＢに対し、３ｄＢ低下したファイバ結合飽和光出力は、ＴＥ偏光に対して＋１７．４ｄＢ_m、ＴＭ偏光に対して＋１７．０ｄＢ_mであった。

なお、この場合も、偏波間利得差は０．５ｄＢ以内である。

図１２は、本発明の素子と、ファイバ結合飽和光出力として従来のベスト記録をもつ、活性層厚２００ｎｍの伸張歪バルク活性層を用いたAlcatelの素子との、素子端面飽和光出力の活性層厚依存性を示す図である。なお、素子端面飽和光出力は、測定したファイバ結合飽和光出力を基にしてファイバ結合効率を考慮して見積もった値である。

図から明らかなように、活性層厚を薄くすることによって素子端面飽和光出力を従来より増大できることが確認された。

以上の結果を上述の従来の各偏波無依存型半導体光増幅器の特性とともに纏めたのが以下に示す表１、表２であり、また、そのうちのファイバ結合飽和光出力とファイバ間利得についてプロットしたのが図１３である。

なお、表１及び表２は明細書作成の都合上１つの表を分割して表したものである。

図１３から明らかなように、本発明の構成によって従来のベスト記録をもつAlcatel₂の素子のファイバ結合飽和光出力を３（＋１２．５［ｄＢ_m］）〜７．５ｄＢ（＋１７．０［ｄＢ_m］）だけ上回っており、ベストレコードを達成することができた。

したがって、伸張歪バルク活性層の薄層化が、飽和光出力に対して非常に大きな効果を有することが理解される。

なお、ファイバ間利得に関しては、Alcatel等の値が勝っているが、このファイバ間利得は、半導体光増幅器の素子長に依存し、素子長を大きくすることによって高ファイバ結合飽和光出力を保ったままファイバ間利得を任意に増大することができるものであり、今回の結果は使用した素子の素子長の差によるものである。

以上、説明してきたように、伸張歪バルク活性層の層厚を２０〜１００ｎｍにすることによって、素子端面飽和光出力、したがって、ファイバ結合飽和光出力を従来の最高値より３〜７．５ｄＢ増大することができ、また、活性層の薄層化に伴う偏波間の光閉じ込め比の増大による偏波無依存性を保つために必要な伸張歪量も十分実用レベルの値に抑えることができ、従来、困難であると考えられていた飽和光出力の増大と偏波無依存性の両立を実現することができた。

以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明は実施の形態に記載した構成・条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。

例えば、上記の実施の形態においては、活性層の幅ｗを光出射端面側においては、光出射端面に向かってテーパ状に狭めているが、活性層の幅ｗを素子中央部と同じ幅に保ってもよいものである。

また、上記の実施の形態においては、活性層の層厚ｄを一定にしているが、活性層の層厚ｄを光出射端面側においては、光出射端面に向かって端面における層厚が素子中央部の層厚の１／２以下、例えば、１／３になるようにテーパ状に薄層化してもよいものであり、また、このような薄層化を上記の活性層幅ｗのテーパ状狭幅化と合わせて用いてもよいものである。

また、上記の実施の形態においては、活性層を光出射端面に達するように設けているが、光出射端面側の２０〜５０μｍの範囲において活性層及び光閉じ込め層を除去してクラッド層のみとして窓構造を構成してもよいものであり、それによって、光出射端面における光の反射をより低減することができるので、出力におけるリップルの発生をより確実に防止することができる。

例えば、システムとしての利得が３０ｄＢ要求される場合、端面における残留反射率は１０^-5程度以下にしなければ、出力にリップルが発生するので、このような窓構造の採用が効果的になる。

また、上記の実施の形態においては、ｎ型ＩｎＰバッファ層をｎ型クラッド層としているが、ｎ型ＩｎＰバッファ層を設けずに、ｎ型ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層及びＩｎＧａＡｓＰ歪活性層を直接成長させ、ｎ型ＩｎＰ基板をｎ側クラッド層としてもよいものである。

また、上記の実施の形態においては、ストライプ状メサの側部にｐ型及びｎ型の電流ブロック層を設けて電流狭窄を行っているが、他の公知の電流狭窄手段、例えば、ＦｅドープＩｎＰ高抵抗層等を用いてもよいものである。

本発明の原理的構成の説明図である。 モード断面積の活性層厚依存性の説明図である。 キャリア寿命の活性層厚依存性の説明図である。 素子端面飽和光出力の活性層厚依存性の説明図である。 偏波間の光閉じ込め比及びそれを相殺するのに必要な歪量の活性層厚依存性の説明図である。 ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系におけるエネルギー準位差ΔＥ_c01の活性層厚依存性の説明図である。 本発明の実施の形態の偏波無依存型半導体光増幅器の概略的斜視図（その１）である。 本発明の実施の形態の偏波無依存型半導体光増幅器の概略的斜視図（その２）である。 本発明の実施の形態における活性層厚ｄが１００ｎｍの場合のファイバ間利得対ファイバ結合光出力特性図である。 本発明の実施の形態における活性層厚ｄが７５ｎｍの場合のファイバ間利得対ファイバ結合光出力特性図である。 本発明の実施の形態における活性層厚ｄが５０ｎｍの場合のファイバ間利得対ファイバ結合光出力特性図である。 本発明の実施の形態における素子端面飽和光出力の活性層厚依存性の説明図である。 １．５５μｍ帯偏波無依存型半導体光増幅器のファイバ結合飽和光出力とファイバ間利得の説明図である。 従来の偏波無依存型半導体光増幅器の概略的斜視図である。

符号の説明

１…クラッド層
２…光閉じ込め層
３…歪バルク活性層
４…ストライプ状メサ
５…埋込層
６…クラッド層
７…光入射端面
８…光出射端面
９…信号光
１０…増幅した信号光
１１…ｎ型ＩｎＰ基板
１２…ｎ型ＩｎＰバッファ層
１３…ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層
１４…ＩｎＧａＡｓＰ歪バルク活性層
１５…ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層
１６…ｐ型ＩｎＰクラッド層
１７…ｐ型ＩｎＰ電流ブロック層
１８…ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層
１９…ｐ型ＩｎＰクラッド層
２０…ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
２１…ＳｉＯ₂膜
２２…ｐ側電極
２３…ｎ側電極
２４…無反射コート膜
２５…無反射コート膜
２６…信号入力光
２７…増幅出力光
３１…ｎ型ＩｎＰ基板
３２…ｎ型ＩｎＰバッファ層
３３…ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層
３４…ＩｎＧａＡｓＰ歪バルク活性層
３５…ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層
３６…ｐ型ＩｎＰクラッド層
３７…ｐ型ＩｎＰ埋込層
３８…プロトン注入領域
３９…プロトン注入領域
４０…ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
４１…ＳｉＯ₂膜
４２…ｐ側電極
４３…ｎ側電極
４４…無反射コート膜
４５…無反射コート膜
４６…信号入力光
４７…増幅出力光

Claims (7)

1. 膜厚が２０ｎｍ〜９０ｎｍであり、伸張歪が導入された歪バルク活性層と、
   前記歪バルク活性層を挟むように設けられたクラッド層と、
   前記歪バルク活性層の光入射端面及び光出射端面での反射による光の共振を抑制する共振抑制手段とを有し、
   前記入射端面から入射した入射信号光を増幅して前記光出射端面から出射信号光として出射し、前記出射信号光が受ける利得が前記入射信号光の偏波状態によらずにほぼ一定である
   ことを特徴とする偏波無依存型半導体光増幅器。
2. 請求項１記載の偏波無依存型半導体光増幅器において、
   前記歪バルク活性層は、歪量が−０．１０％〜−０．６０％である
   ことを特徴とする偏波無依存型半導体光増幅器。
3. 請求項１又は２記載の偏波無依存型半導体光増幅器において、
   前記歪バルク活性層と前記クラッド層との間に形成された光閉じ込め層を更に有する
   ことを特徴とする偏波無依存型半導体光増幅器。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の偏波無依存型半導体光増幅器において、
   前記歪バルク活性層の幅が、前記光入射端面及び／又は前記光出射端面の方向に向けて徐々に狭まっている
   ことを特徴とする偏波無依存型半導体光増幅器。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の偏波無依存型半導体光増幅器において、
   前記歪バルク活性層の厚さが、前記光入射端面及び／又は前記光出射端面の方向に向けて徐々に薄くなっている
   ことを特徴とする偏波無依存型半導体光増幅器。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の偏波無依存型半導体光増幅器において、
   前記歪バルク活性層の軸方向が、前記光出射端面の法線方向に対して傾いている
   ことを特徴とする偏波無依存型半導体光増幅器。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の偏波無依存型半導体光増幅器において、
   前記歪バルク活性層は、前記前記光入射端面及び／又は前記光出射端面の近傍には形成されておらず、前記歪バルク活性層の端面が前記クラッド層により覆われている
   ことを特徴とする偏波無依存型半導体光増幅器。

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