JP2010004045A - 量子ドット構造を有する光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学装置を製造する方法、およびバリア層（１２）の間に置かれた１つまたは複数の量子ドット層（１３）を有する光学装置を提供すること。
【解決手段】スペーサ層（１５）はバリア層（１２）上で成長させられ、それによってスペーサ層（１５）は、量子ドット層によって生じる歪場を実質的に遮断するようになっており、したがって、次のバリア層（１２）に対する円滑な成長最前部が作り出される。
【選択図】図２

Description

本発明は、オプトエレクトロニクスの分野に関する。より詳細には、本発明は、量子ドット構造を有する光学装置、およびこのような光学装置を備えた光信号処理ユニットに関する。

改善された性能を備えた光学装置を得るために、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰなどの構造を使用する量子ドット・ベース装置が、ますます魅力的となってきている。典型的には、基板はＩｎＰで作られており、活性材料はＩｎＧａＡｓＰバリア内に埋め込まれたＩｎＡｓ量子ドットである。このような装置の例は、レーザ源、光増幅器、光学センサ（検出器）などである。量子ドット・ベース装置を使用する利点は主に、低チャープ、低ノイズ、低感温性、および広い波長応用例を与えることが可能であることにある。

量子井戸および量子ドット半導体構造は、関連する技術分野でよく知られている。手短に言うと、量子井戸構造は、２次元空間での電子またはホールの伝播を可能にしつつ、第３の次元でのこのような伝播を制限するように構成されており、量子ドット構造は、３次元でキャリヤを閉じ込めるように配置されている。

光学装置に対して量子ドット構造を使用する１つの利点は、このような構造では、動的にモードロックされたレーザ内の比較的低いタイミング・ジッタを得ることができるということである。

しかし、量子ドット・ベース装置は、偏光に関して比較的感度が高いという問題がある。これは、以下の理由により欠点である。知られているように、光源から伝達される光信号を偏光することができる。これは、光信号の成分の振動の方向が、光信号自体の伝播の方向と垂直であるということを意味する。偏光のよく知られている例は、それぞれＴＥモードおよびＴＭモードとして知られる、電気成分および磁気成分を有するものである。伝達された光信号は普通、光ファイバを通して光受信機に向かって前進する。実際、偏光した光信号が光ファイバに沿って前進する場合、その偏光状態に関する特定の歪みを受ける。これは、光ファイバは普通、光源から伝達されたときに偏光モードを元の状態に維持することが可能ではないからである。その結果、光信号は、歪んだ偏光のある受信機端部で受信される。したがって、受信機が偏光高感度装置である場合、受信した光信号を正確に処理することができない。既に上で述べたように、量子ドット・ベース装置は偏光感度が高く、したがってこのような欠点の問題がある。

この問題を解消するために、ある解決法が知られている。このような解決法の１つは、バルク・ベース・レーザおよび量子ドット・ベース・レーザをカスケーディングすることに関する。しかし、２つの装置のカスケーディングは、構造の複雑性、寸法および費用の増大につながり、結合損失が生じる可能性がある。

別の解決法は、その偏光を変えるために光信号を分割することに関する。このような場合、入力信号は、信号を２つの偏光、ＴＭおよびＴＥに分けるために分割される。ＴＭ部分はその後、偏光子によって回転され、広帯域半導体光増幅器（ＳＯＡ）内に送信される前に、ＴＥ部分と再結合される。しかし、この解決法は実施するのが容易ではない。というのは、再結合過程中に２つのアーム間の相殺的干渉を避ける必要があり、さらに包装費用の実質的な増加を生じさせるからである。

本発明は、上記欠点を解消する、または実質的に低減することを目的とする。本発明によって提案される解決法は、スタック上に前の量子ドット層によって生じた歪場に対して感度が低い材料の極めて薄い層のスペーサとしての使用に関する。

このような材料は、例えばＩｎＰまたはＧａＡｓまたはＧａＰなどの２成分材料であってもよいが、ＩｎＰは比較的優れた平滑特徴を与えるので好ましい。

スペーサ層の成長最前部はその後、次の量子ドット層の被着前に効率的に平滑化される。実際に、バイナリ・スペーサの被着の過程はまた、被着過程自体の間にその最前部の円滑な成長を生じさせる。

この解決法により、ほぼ不均一な広がりおよび転位を生じさせることなく、量子ドット層を密接に積み重ねることが可能になる。

有利には、この追加のＩｎＰ層は、ＩｎＰ層が十分薄いという条件で、トンネル効果による量子ドット間の効率的な結合を可能にすることができる。実際、５ｎｍ以下の厚さのＩｎＰ層は、トンネル効果を可能にするために十分薄いと考えられ、厚さはさらに１ｎｍほどであってもよい。この範囲内では、いくつかの好ましい値は、平滑化の効率がＩｎＰ厚さと共に増加するという事実を鑑みて、２〜３ｎｍであってもよい。ＩｎＰ層（スペーサ）はしたがって、表面を平滑化するために使用され、キャリヤは量子ドット層の間で所要の結合を行うためにこれを通して進むことができる。

本発明のいくつかの実施形態では、１つまたは複数の量子ドット層および１つまたは複数のバリア層を有する光学装置を製造する方法であって、バリア層上で、量子ドット層によって生じる歪場を実質的に遮断するようになっているスペーサ層を成長させるステップを含む方法が提供される。

一実施形態では、スペーサ層は、成長最前部がほぼ円滑な表面を有した状態で成長させられる。

次のバリア層はスペーサ層上で成長させられ、ほぼ円滑な表面を備えた成長最前部を有することが好ましい。

ＩｎＰ材料のスペーサ層は、次の量子ドット層の間に置かれ、使用の際、トンネル効果による量子ドット層間の結合を可能にすることが好ましい。

本発明のいくつかの実施形態では、１つまたは複数の量子ドット層および１つまたは複数のバリア層の構造を有する光学装置が提供され、光学装置はさらにバリア層上にスペーサ層を備え、スペーサ層はバリア層によって生じる歪場を実質的に遮断するようになっている。

光学装置は、２つ以上の量子ドット層および３つ以上のバリア層を有することができることが好ましい。

スペーサ層は、ほぼ円滑な表面を有することが好ましい。

次のバリア層はスペーサ層上で成長させられ、ほぼ円滑な表面を有することが好ましい。

スペーサ層は、２成分材料で作られていることが好ましい。

２成分材料はＩｎＰであることが好ましい。

スペーサ層は、約３ｎｍの厚さを有することが好ましい。

次の２つの量子ドット層間の分離は、約５ｎｍであることが好ましい。

ＩｎＰ材料のスペーサ層は、トンネル効果による量子ドット層間の結合を可能にするようになっている次の量子ドット層間に置かれていることが好ましい。

本発明のこれらおよび別の特性および利点は、添付の図面の助けをかりて、以下の説明および特許請求の範囲でより詳細に説明される。

３つの量子ドット層のスタックを有し、従来の方法により構築された光学装置の顕微鏡画像の図である。 本発明により構築された光学装置の顕微鏡画像の図である。

上にさらに記したように、偏光に対する感度が低い、または実質的に低い偏光感度を少なくとも示す量子ドット・ベース装置を提供することが望ましい。このような装置は普通、改善された時間変動特徴を提供することができる。

理論的検討によると、量子ドット層が互いに非常に密接して積み重ねられ、それによって積み重ねられた量子ドット間の強い電子結合が容易になる場合に、偏光感度を低くすることができると考えられる。

しかし、装置の性能を大きく低下させることなく非常に薄いスペーサで多数の量子ドット層を積み重ねることは技術的に非常に難しいことが実験的な試みによって証明された。多数の量子ドット層を積み重ねる利点は、許容レベルのゲインを得ることを対象としている。多数の量子ドット層を積み重ねることによって、偏光感度はより予測可能になるが、これにより極めて薄いスペーサで比較的多数の、例えば約１０の層が必要になる。許容レベルのゲインを得るための別の条件は、比較的優れた品質を有する層の使用である。

実際、１つの問題は、隣接する量子ドット層間の分離を所望のレベルまで少なくすることにある。現在の報告によると、１．５５μｍの量子ドット・ベース装置では、４つの量子ドット層だけの約１０ｎｍの厚さのスペーサが得られた。これは、適切に動作することが可能な装置に対してできるだけ薄い間隙を得ることが可能であったと考えられる。より薄い間隙により、隣接する量子ドット層間に誘導される発生歪場が作り出されることが分かった。

本明細書では、量子ドット層の大量のスタックは、９つ以上の層を含むことができ、薄いスペーサ層は約３ｎｍであってもよい。

図１は、従来の光学装置１の一部の画像の図を示し、画像は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により取られたものである。光学装置１は、普通はＩｎＰで作られたｎクラッド部１１を有する。光学装置１は図では、例えば基板（ｎクラッド部）１１の上で成長させられたＧａＩｎＡｓＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓで作られたいくつかのバリアおよび閉じ込め層１２を有する。成長の方向は、矢印Ａによって示されている。量子ドット層１３は、それぞれのバリア層１２の間に設けられている。図から明らかに分かるように、量子ドット層１３のそれぞれの表面、およびバリア層１２の表面は粗い（円滑ではない）。さらに、表面の形状の粗さは、下側の量子ドット層から上側の量子ドット層まで（矢印Ａの方向に）移動するときに大きくなる。図では、装置の上表面１４は、基板１１の下表面と比べてより高いレベルの粗さを示すことを観察することができる。これは主に、層の成長過程中に、（粗い）量子ドット層１３の上側インターフェイスまたは表面が、バリア層１２の被着中に平滑化されなかったという事実によるものである。粗さは普通、成長中に前の量子ドット層によって生じた歪場に対する、バリア材料、例えばＧａＩｎＡｓＰの高い感度によるものである。大きな粗さの結果、量子ドット層１３の厚さはまた、図１で矢印Ａの方向で観察することができるように、下側量子ドット層から上側量子ドット層まで大きくなる。したがって、歪場は遮断されず、スタックの数が多くなると共にその影響が大きくなる。既に上に述べたように、歪場は密接して積み重ねられた構造が望ましい場合に悪影響を及ぼす。

図２は、本発明の一実施形態による光学装置の一部の画像の図を示している。画像自体は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により取られたものである。この画像は、例として単に示されたものであり、本発明の範囲を限定するものとして解釈すべきでないことに留意されたい。

図２では、それぞれのバリア層１２の間に置かれた量子ドット層１３ａおよび１３ｂのスタックが示されており、成長の方向は矢印Ａで示されている。

本発明によると、スペーサ層１５はそれぞれのバリア層１２上に被着される。スペーサ層は、歪場に対する感度が低い材料である、または少なくとも、バリア層１２の粗い表面上に被着されるときに歪場の影響を実質的に遮断することが可能である。上にさらに述べたように、ＩｎＰなどの２成分材料は、この目的で使用可能な材料の例である。実際の慣習では、スペーサとして使用される材料は、理想的な状態を現実の材料で得ることができないので、歪場に対して完全感度が低くなっていることはできないことに留意されたい。したがって、本明細書では、歪場に対する「感度が低い」材料への言及は、相対的な用語で、歪場の影響を実質的に遮断することができる材料であると理解すべきものである。

図２に示すように、量子ドット層１３ａは粗い表面１６ａを呈する。バリア層１２は、被着が終了した場合に、量子ドット層の粗さにより粗い表面１６ｂを形成する量子ドット層１３ａの上に被着される。次に、スペーサ層１５はバリア層１２の表面１６ｂの上に被着される。スペーサ層１５は歪場に対する感度が低いので、スペーサ層１５の得られる表面１７ａはほぼ円滑である（粗さがない）。次のバリア層、バリア層１２はしたがって、この円滑な表面１７ａの上で成長される。その結果、歪場が避けられ、バリア層１２に対する円滑な上表面１７ｂが得られる。

したがって、中間スペーサ層１５が成長最前部上に円滑な表面を有するので、比較的薄いバリア層１２をその上に成長させることが可能となり、それによって相対的にかなりの数の量子ドット層を積み重ねることができる。実験により、最大２０の量子ドット層のスタックでさえも、装置構造に実質的な転位を生じさせることはないことが示された。

実際の実験では、それぞれ１ｎｍの厚さを有する２つのバリア間に置かれた、ＩｎＰ材料である３ｎｍのスペーサ層厚さを備えた１０の量子ドット層のスタックを有するサンプル装置が作られた。装置は、単一の横モード・レーザ技術を使用して処理された。その結果、約５０ｍＡの閾値電流Ｉ_Ｔｈ、および約０．１Ｗ／Ａ毎ファセットの外部効率（Ｗ／Ａ毎ファセットは、装置内に投入される、アンペアでの電流に対するワットでの出力の閾値を示す装置の効率である）が示された。したがって、実験により、約５ｎｍの分離、すなわちスペーサ層厚さの３ｎｍプラス、非放射欠陥を生じさせることなく１０の量子ドット層のそれぞれ１ｎｍの厚さを有する、スペーサ層の両側の２つのバリアに対応する２ｎｍの密接な積み重ねを達成することが示された。

本発明によって提案される解決法は、スタックの材料品質を低下させることなく密接に積み重ねられた量子ドット層を備えた光学装置の製造を可能にする重要な利点を提供する。その結果、潜在的な量子ドット・ベース装置は、低いタイミング・ジッタ、大きな光学帯域幅を呈する関連した利点で、偏光感度の低い動作に適合するようになる。このような装置を提供することによって、光ファイバ通信の応用例に対して、上に記したように、これらの装置の他の潜在的に有用な特徴を利用することが可能になる。

本発明によって提案される解決法で、改善された特徴を有する、高温挙動を備えた広帯域半導体光増幅器（ＳＯＡ）を製造することができる。別の利点は、低チャープ増幅を得ることができるようになることである。

本発明の装置は、これに限らないが、クロック修復、光増幅、波長変換または信号処理などの光信号処理を行うあらゆるユニットで使用することができる。

さらに、請求する手段に対応する構造のリストは排他的なものではなく、当業者は本発明の範囲から逸脱することなく同等の構造を言及した構造に換えることができることが分かることに留意するものとする。

Claims (18)

1. １つまたは複数の量子ドット層（１３）および１つまたは複数のバリア層（１２）を有する光学装置を製造する方法であって、バリア層（１２）上で、前記バリア層によって生じる歪場を実質的に遮断するようになっているスペーサ層（１５）を成長させるステップを含む方法。
2. 前記スペーサ層（１５）は、成長最前部がほぼ円滑な表面（１７ａ）を有した状態で成長させられる、請求項１に記載の方法。
3. 次のバリア層（１２）は、前記スペーサ層（１５）上で成長させられ、円滑な表面（１７ｂ）を備えた成長最前部を有する、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. ＩｎＰ材料のスペーサ層は、次の量子ドット層の間に置かれ、使用の際、トンネル効果による量子ドット層間の結合を可能にする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. １つまたは複数の量子ドット層（１３）および１つまたは複数のバリア層（１２）を有する光学装置であって、さらにバリア層（１２）上にスペーサ層（１５）を備え、前記スペーサ層（１５）は、バリア層（１２）によって生じる歪場を実質的に遮断するようになっている光学装置。
6. ２つ以上の量子ドット層および３つ以上のバリア層を有することができる、請求項５に記載の光学装置。
7. 前記スペーサ層（１５）は、ほぼ円滑な表面を有する、請求項５または請求項６に記載の光学装置。
8. 次のバリア層（１２）は前記スペーサ層（１５）上で成長させられ、ほぼ円滑な表面（１７ｂ）を有する、請求項５乃至７のいずれか１項に記載の光学装置。
9. 前記スペーサ層（１５）は、２成分材料で作られている、請求項５乃至８のいずれか１項に記載の光学装置。
10. 前記２成分材料はＩｎＰである、請求項９に記載の光学装置。
11. 前記スペーサ層（１５）は、約３ｎｍの厚さを有する、請求項５乃至１０のいずれか１項に記載の光学装置。
12. 次の２つの量子ドット層間の分離は、約５ｎｍである、請求項５乃至１１のいずれか１項に記載の光学装置。
13. ＩｎＰ材料のスペーサ層は、トンネル効果による量子ドット層間の結合を可能にするようになっている次の量子ドット層間に置かれている、請求項５乃至１２のいずれか１項に記載の光学装置。
14. 請求項５乃至１３のいずれか１項に記載の光学装置を備えた、光信号処理を行うユニット。
15. クロック修復ユニットである、請求項１４に記載のユニット。
16. 光増幅ユニットである、請求項１４に記載のユニット。
17. 波長変換ユニットである、請求項１４に記載のユニット。
18. 信号処理ユニットである、請求項１４に記載のユニット。

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