JP2010232371A - 半導体光増幅素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力の半導体光増幅素子を提供すること。
【解決手段】半導体からなる受動コア領域と、前記受動コア領域の両側に位置し、前記受動コア領域よりも屈折率が低い半導体活性層からなる能動クラッド領域と、を有する光増幅導波層を備え、前記光増幅導波層において光を増幅しながら導波する。好ましくは、前記光増幅導波層は、化合物半導体からなり、化合物半導体からなる基板上に、バットジョイント成長方法を用いて前記受動コア領域と前記能動クラッド領域とをモノリシックに集積して形成したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体光増幅素子に関する。

光通信においては、光ファイバの伝送損失、あるいはＡＷＧ(Arrayed Waveguide Grating)等の光コンポーネントの挿入損失を補償するために、低雑音で高利得な光増幅器が大変重要となる。電流励起型の半導体光増幅器(ＳＯＡ:Semiconductor Optical Amplifier)は、Ｅｒ添加型光ファイバ増幅器(ＥＤＦＡ:Er-Doped Fiber Amplifier)とは異なり、ポンプレーザが不要であるため、小型、かつ安価な光増幅器である。特に近年、半導体光増幅器は、その小型性のためにＡＷＧ等の微小光回路に集積可能である等の点で、大変注目されている。なお、半導体光増幅器の開発当初は、ＥＤＦＡと比較すると飽和出力、雑音指数（ＮＦ：Noise Figure）の特性において劣っていたが、近年開発が進み、飽和出力、雑音指数の点でＥＤＦＡと遜色ない半導体光増幅器が報告されてきている(非特許文献１参照)。

図８は、光増幅器として機能する従来の半導体光増幅素子の構造の一例を示す模式的な断面図である。図８に示すように、この半導体光増幅素子２００は、裏面にｎ側電極２１を形成したｎ型の基板２２上に、バッファ層としての役割も果たしているｎ型の下部クラッド層２３と、半導体活性層２４と、ｐ型の上部クラッド層２５ａ、２５ｂとが積層した構造を有している。基板２２の一部から上部クラッド層２５ａ、２５ｂまではメサ構造となっており、その両側はｐ型の下部電流阻止層３０ａとｎ型の上部電流阻止層３０ｂとからなる電流阻止層３０、３０によって埋め込まれている。また、上部クラッド層２５ｂと電流阻止層３０、３０との上にはｐ型の上部クラッド層２５ｃ、ｐ型のコンタクト層２６が積層しており、コンタクト層２６上は保護膜２７とｐ側電極２８とが形成され、さらに外部電極２９が形成されている。また、この半導体光増幅素子２００には、紙面に垂直の方向において紙面と略平行に２つの端面が形成されており、この２つの端面には反射防止膜が形成されている。

この半導体光増幅素子２００は、以下のように動作する。まず、ｎ側電極２１とｐ側電極２８との間に電圧を印加し、半導体活性層２４に電流を注入してこれを励起状態とする。なお、電流は電流阻止層３０によって半導体活性層２４に効率的に注入される。このように半導体活性層２４を励起状態とした上で、一方の端面から増幅すべき光、たとえば光通信において用いられている波長１．５５μｍ帯の光を入力すると、半導体活性層２４はこの光を導波しながら誘導放出作用によって増幅し、増幅した光を他方の端面から出力する。

なお、この半導体光増幅素子２００は、２つの端面に反射防止膜を形成しない場合には、端面は所定の反射率を有することとなるので、この２つの端面によってファブリーぺロー型の光共振器を形成して、半導体レーザ装置として用いることができる。また、この半導体光増幅素子２００は、反射防止膜の代わりに所望の反射率を有する反射膜を形成しても、同様に半導体レーザ装置として用いることができる。

K. Morito et al.,"A Broad-Band MQW Semiconductor Optical Amplifier With HighSaturation Output Power and Low Noise Figure" IEEE Photonics Technol. Lett., Vol.17, No.5, pp.974-976, May 2005.

ところで、半導体光増幅素子において高出力な特性を得るためには、閉じ込め係数Γを小さくし、かつ内部の光損失を低減することが重要となる。ここで、閉じ込め係数Γとは、導波する光の全強度に対する、半導体活性層に閉じ込められている光の強度の割合である。

しかしながら、図８に示すような従来構造の半導体光増幅素子では、閉じ込め係数Γを小さくし、光損失を低減することは困難である。以下、具体的に説明する。

図９は、図８に示す半導体光増幅素子２００を導波する光の強度分布を模式的に示す図である。図９において、線Ｌ３は、半導体活性層２４の層方向（紙面上下方向）中央部における、半導体活性層２４の面方向（紙面左右方向）の位置に対する光強度分布を示し、線Ｌ４は、半導体活性層２４の面方向中央部における、半導体活性層２４の層方向の位置に対する光強度分布を示している。

ここで、成分Ｓ３は、面方向において、半導体活性層２４に閉じ込められている光の成分を示している。このように、従来構造の半導体光増幅素子２００においては、半導体活性層２４において最も光強度が強くなっているので、成分Ｓ３の割合が高くなる。その結果、閉じ込め係数Γを小さくすることは困難である。さらには、半導体活性層２４による光吸収に起因する光損失が存在するため、光損失を低減することが困難である。

一方、成分Ｓ４は、層方向において、半導体活性層２４に閉じ込められている光の成分を示しているが、層方向においても、面方向と同様に、閉じ込め係数Γを小さくし、光損失を低減することが困難である。

ちなみに、成分Ｓ５は、層方向において、上部クラッド層２５ａ側に分布している光の成分を示している。上述したように、上部クラッド層２５ａはｐ型であるが、ｐ型のドーパントとして一般的なＺｎが添加されている場合、Ｚｎはたとえば波長１．５５μｍ光を吸収してしまうため、導波すべき光の波長によってはさらに光損失が加算される。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高出力の半導体増幅素子を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る半導体光増幅素子は、半導体からなる受動コア領域と、前記受動コア領域の両側に位置し、前記受動コア領域よりも屈折率が低い半導体活性層からなる能動クラッド領域と、を有する光増幅導波層を備え、前記光増幅導波層において光を増幅しながら導波することを特徴とする。

また、本発明に係る半導体光増幅素子は、上記の発明において、前記光増幅導波層は、化合物半導体からなり、化合物半導体からなる基板上に、バットジョイント成長方法を用いて前記受動コア領域と前記能動クラッド領域とをモノリシックに集積して形成したものであることを特徴とする。

また、本発明に係る半導体光増幅素子は、上記の発明において、前記半導体活性層は、多重量子井戸構造を有することを特徴とする。

また、本発明に係る半導体光増幅素子は、上記の発明において、前記半導体活性層は、バルク構造を有することを特徴とする。

また、本発明に係る半導体光増幅素子は、上記の発明において、前記受動コア領域は、該受動コア領域よりも実効的な屈折率が低い２つの受動領域クラッド層の間に介挿され、３層のスラブ構造を形成していることを特徴とする。

また、本発明に係る半導体光増幅素子は、上記の発明において、前記能動クラッド領域は、該能動クラッド領域よりも屈折率が低い２つの能動領域クラッド層の間に介挿され、３層のスラブ構造を形成していることを特徴とする。

また、本発明に係る半導体光増幅素子は、上記の発明において、前記光増幅導波層は、前記光を単一横モードで導波するように、前記受動コア領域と前記能動クラッド領域との実効的な屈折率、ならびに前記受動コア領域の幅が設定されていることを特徴とする。

また、本発明に係る半導体光増幅素子は、上記の発明において、前記半導体活性層に電流を注入する電流注入構造を有することを特徴とする。

また、本発明に係る半導体光増幅素子は、上記の発明において、前記光の導波する方向に対して垂直または傾斜した２つの端面に形成した反射防止膜を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る半導体光増幅素子は、上記の発明において、前記光をレーザ発振させる光共振器構造を有することを特徴とする。

本発明によれば、閉じ込め係数Γを小さくし、かつ内部の光損失を低減することができるので、高出力の半導体増幅素子を実現できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る半導体光増幅素子の模式的な断面図である。 図２は、図１に示す半導体光増幅素子のＸ−Ｘ線断面図である。 図３は、図１に示す半導体光増幅素子を導波する光の強度分布を模式的に示す図である。 図４は、図１に示す半導体光増幅素子における受動コア領域のメサ幅Ｗと閉じ込め係数Γとの関係を示す図である。 図５は、図１に示す半導体光増幅素子の製造方法の一例を説明する図である。 図６は、図１に示す半導体光増幅素子の製造方法の一例を説明する図である。 図７は、図１に示す半導体光増幅素子の製造方法の一例を説明する図である。 図８は、従来の半導体光増幅素子の構造の一例を示す模式的な断面図である。 図９は、図８に示す半導体光増幅素子を導波する光の強度分布を模式的に示す図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る半導体光増幅素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する構成要素には適宜同一の符号を付している。

（実施の形態１）
本実施の形態１に係る半導体光増幅素子は、光通信において用いられている波長１．５５μｍ帯の光の入力を受付け、これを増幅して出力するものである。図１は、実施の形態１に係る半導体光増幅素子の模式的な断面図である。また、図２は、図１に示す半導体光増幅素子１００のＸ−Ｘ線断面図である。図１、２に示すように、この半導体光増幅素子１００は、裏面にｎ側電極１を形成したｎ型の基板２上に、光を増幅しながら導波するための光増幅導波層４を備えている。この光増幅導波層４は、受動コア領域４ａと、この受動コア領域４ａの両側に位置し、受動コア領域４ａよりも屈折率が低い半導体活性層からなる能動クラッド領域４ｂ、４ｂとを有する。

また、受動コア領域４ａは、基板２上に形成された受動領域下部クラッド層３ａと、受動領域上部クラッド層５ａとの間に介挿されている。受動領域下部クラッド層３ａと、受動領域上部クラッド層５ａとはいずれも受動コア領域４ａよりも屈折率が低い。したがって、受動コア領域４ａは、受動領域下部クラッド層３ａおよび受動領域上部クラッド層５ａと３層のスラブ構造を形成している。以降、このスラブ構造が形成されている領域を受動領域Ａという。

一方、各能動クラッド領域４ｂは、それぞれ、基板２上に形成された能動領域下部クラッド層３ｂと、能動領域上部クラッド層５ｂとの間に介挿されている。各能動領域下部クラッド層３ｂと、各能動領域上部クラッド層５ｂとはいずれも各能動クラッド領域４ｂよりも屈折率が低い。したがって、各能動クラッド領域４ｂは、それぞれ各能動領域下部クラッド層３ｂおよび各能動領域上部クラッド層５ｂと３層のスラブ構造を形成している。以降、これらのスラブ構造が形成されている領域を能動領域Ｂ、Ｂという。

また、半導体光増幅素子１００は、各能動領域上部クラッド層５ｂ上に、コンタクト層６、６を備えている。さらに、半導体光増幅素子１００は、受動領域上部クラッド層５ａおよび各コンタクト層６上にわたって形成された保護膜７と、各コンタクト層６上に位置する保護膜７の各開口部に形成されたｐ側電極８、８と、保護膜７上に各ｐ側電極８に接触するように形成された外部電極９、９とを備えている。

また、図２に示すように、この半導体光増幅素子１００には、光を導波する方向に垂直な２つの端面が形成されており、この２つの端面には反射防止膜１０ａ、１０ｂがそれぞれ形成されており、端面における光の反射率が-３０ｄＢ以下に低減されている。なお、この２つの端面は、光を導波する方向に対して５°〜１０°程度傾斜させて、反射防止効果をさらに高めるようにしてもよい。

なお、ｎ側電極１は、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕの構造を有する。また、基板２は、ｎ−ＩｎＰからなる。また、光増幅導波層４の受動コア領域４ａは、不純物の添加されていない真性半導体でかつ１．１５ＱであるＩｎＧａＡｓＰからなり、受動領域下部クラッド層３ａおよび受動領域上部クラッド層５ａは、ノンドープのＩｎＰからなる。また、受動コア領域４ａの厚さは０．３２２μｍである。なお、１．１５Ｑとは、バンドギャップ波長が１．１５μｍという意味である。したがって、受動コア領域４ａ、受動領域下部クラッド層３ａ、受動領域上部クラッド層５ａは、波長１．５５μｍの光を吸収しないものである。

また、光増幅導波層４の能動クラッド領域４ｂは、ＩｎＧａＡｓＰからなり、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造の両側に３段階の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ：Separate Confinement Heterostructure）を形成したＭＱＷ−ＳＣＨ活性層からなる。なお、ＭＱＷについては、井戸層厚が６ｎｍ、障壁層厚が１０ｎｍの６層の構造である。また、能動領域下部クラッド層３ｂは、１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でＳｅを添加したｎ−ＩｎＰからなる。また、能動領域上部クラッド層５ｂは、１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でＺｎを添加したｐ−ＩｎＰからなる。また、コンタクト層６は、オーミックコンタクトを取るために、１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でＺｎを添加したｐ−ＩｎＧａＡｓＰからなる。

また、受動領域Ａのスラブ構造において、受動コア領域４ａの実効屈折率をｎcoreとすると、ｎcoreは３．２０３０３である。また、各能動領域Ｂのスラブ構造において各能動クラッド領域４ｂの実効屈折率をｎcladとすると、ｎcladは３．２００５２である。したがって、ｎcore＞ｎcladとなっており、光増幅導波層４において受動コア領域４ａをコアとする導波路構造が実現されている。また、受動コア領域４ａのメサ幅をＷとすると、Ｗ＝４．２μｍであるので、光増幅導波層４は波長１．５５μｍの光を単一モードで導波することができる。

なお、光を単一モードで導波するという条件を満たすためには、導波すべき光の波長をλとして、以下の式（１）で定義されるＶ値をπ／２以下に設定する必要がある。

式（１）から、本実施の形態１に係る半導体光増幅素子１００においては、Ｗ≦６μｍの範囲であれば、式(１）で定義されるＶ値は、π／２以下となり、波長１．５５μｍにおける単一モード導波条件を満たすことができる。

また、保護膜７は、ＳｉＮｘからなる。また、ｐ側電極８は、ＡｕＺｎからなり、そのサイズはたとえば２．１μｍ×２０００μｍである。また、外部電極９は、Ｔｉ／Ｐｔの構造を有する。また、反射防止膜１０ａ、１０ｂは、Ａｌ_２Ｏ_３／ａ−Ｓｉ／Ａｌ_３Ｏ_３＝３０／２４／２３０ｎｍの構造を有するものである。

また、上記のように、ｎ側電極１、基板２、能動領域下部クラッド層３ｂ、能動領域上部クラッド層５ｂ、コンタクト層６、保護膜７、ｐ側電極８、外部電極９を構成することによって、能動クラッド領域４ｂへの電流注入構造が実現されている。

この半導体光増幅素子１００は、以下のように動作する。まず、ｎ側電極１とｐ側電極８、８との間に電圧を印加し、能動領域Ｂ、Ｂにおいて能動クラッド領域４ｂ、４ｂに電流を注入して能動クラッド領域４ｂ、４ｂを励起状態とする。このように能動クラッド領域４ｂ、４ｂを励起状態とした上で、たとえば反射防止膜１０ｂ側から波長１．５５μｍ帯の光を入力すると、光増幅導波層４は、光を主に受動コア領域４ａに閉じ込めて導波するとともに、能動クラッド領域４ｂ、４ｂによって増幅し、増幅した光を反射防止膜１０ａ側から出力する。

この半導体光増幅素子１００の光増幅動作についてさらに具体的に説明する。図３は、図１に示す半導体光増幅素子１００を導波する光の強度分布を模式的に示す図である。図３において、線Ｌ１は、光増幅導波層４の層方向中央部における、光増幅導波層４の面方向の位置に対する光強度分布を示し、線Ｌ２は、光増幅導波層４の面方向中央部における、光増幅導波層４の層方向の位置に対する光強度分布を示している。

図３からも明らかなように、光増幅導波層４の面方向において、線Ｌ１が示す最も光強度が強い位置は、光吸収のない受動コア領域４ａにあり、半導体活性層からなる能動クラッド領域４ｂに分布する光の成分は、光強度の弱い成分Ｓ１、Ｓ２である。一方、線Ｌ２が示す光強度分布については、能動クラッド領域４ｂには全く分布しない。したがって、この半導体光増幅素子１００においては、閉じ込め係数Γを小さくできるとともに、半導体活性層による光吸収に起因する光損失も低減できる。

さらには、受動領域上部クラッド層５ａはノンドープであるため、ドーパントによる光吸収が存在しないので、光損失の増大が防止されている。なお、各能動領域Ｂにおいては、各能動領域上部クラッド層５ｂに分布する光が、添加されたＺｎによる光吸収の影響を受ける。しかしながら、線Ｌ１の光強度分布が示すように各能動領域Ｂにおいてはもともと光強度が弱いので、各能動領域上部クラッド層５ｂに分布する光の強度も弱いため、この光吸収の影響は極めて小さい。

以上説明したように、この半導体光増幅素子１００においては、閉じ込め係数Γを小さくできるとともに、半導体活性層の光吸収に起因する光損失も低減できる。さらには、Ｚｎの光吸収に起因する光損失の増大も防止される。その結果、この半導体光増幅素子１００は、従来のものと比較してきわめて高出力の半導体光増幅器となる。また、光増幅器の場合は、光損失の低減により低雑音化も実現される。その結果、この半導体光増幅素子１００は、従来のものと比較してきわめて低雑音の半導体光増幅器となる。

ここで、図４は、図１に示す半導体光増幅素子１００における受動コア領域４ａのメサ幅Ｗと閉じ込め係数Γとの関係を示す図である。図４に示すように、メサ幅Ｗを広げるほど閉じ込め係数Γは低減していく傾向にあり、Ｗ＝４．２μｍではΓ＝１％となる。なお、閉じ込め係数Γについては、たとえば光出力の仕様を考慮して適宜決定することができる。また、所定の光出力を実現しようとする場合、閉じ込め係数Γを小さくすると、それに従って動作電流は高くなる。したがって、閉じ込め係数Γの下限については、消費電力の仕様等も考慮して適宜決定することができる。

（製造方法）
つぎに、図１に示す半導体光増幅素子１００の製造方法の一例を説明する。図５〜７は、半導体光増幅素子１００の製造方法の一例を説明する図である。まず、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）結晶成長装置を用い、成長温度を６００℃として、図５（ａ）に示すように、基板２上の全面に、能動領域下部クラッド層３ｂ、能動クラッド領域４ｂ、能動領域上部クラッド層５ｂ、コンタクト層６を結晶成長する。なお、能動領域下部クラッド層３ｂはバッファ層としての役割も果たしている。

つぎに、図５（ｂ）に示すように、コンタクト層６上にＳｉＮ膜１１を形成する。つぎに、図５（ｃ）に示すように、受動領域Ａを形成すべき領域のＳｉＮ膜１１を除去するようにエッチングを行い、能動領域Ｂを形成すべき領域のＳｉＮ膜１１を残すようにする。さらに、図５（ｄ）に示すように、残ったＳｉＮ膜１１をマスクとして、コンタクト層６、能動領域上部クラッド層５ｂ、能動クラッド領域４ｂ、能動領域下部クラッド層３ｂを塩素系またはメタン水素系のガスを用いたドライエッチングにより除去する。その結果、ドライエッチングにより半導体層を除去した窪み部Ｄにおいては基板２の表面が露出する。

つぎに、図６（ａ）に示すように、窪み部Ｄの内部をウエットエッチングし、ドライエッチングによって能動クラッド領域４ｂの側壁４ｂａに発生したダメージ層を除去する。つぎに、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）結晶成長装置によるバットジョイント成長方法により、図６（ｂ）に示すように、窪み部Ｄに受動領域下部クラッド層３ａ、受動コア領域４ａ、受動領域上部クラッド層５ａを形成する。なお、このようにバットジョイント成長方法を用いれば、基板２上に受動コア領域４ａと能動クラッド領域４ｂとをモノリシックに集積して形成することが容易に実現できる。

つぎに、図６（ｃ）に示すように、全面にレジスト１２を形成し、フォトリソグラフィーにより、ｐ側電極８、８に対応する部分をパターニングし、その上にＡｕＺｎ膜１３を蒸着する。つぎに、図６（ｄ）に示すように、レジスト１２を除去し、リフトオフしてｐ側電極８、８を形成する。

つぎに、図７（ａ）に示すように、全面にＳｉＮｘからなる厚さ１２０ｎｍの保護膜７を蒸着する。つぎに、図７（ｂ）に示すように、レジスト１４を形成し、フォトリソグラフィーによりｐ側電極８、８と接する領域に窓を開けた後に、ｐ側電極８、８と接する領域の保護膜７を反応イオンエッチング（ＲＩＥ）によって取り除く。そして、その後レジスト１４を除去する。つぎに、図７（ｃ）に示すように、全面にレジストを形成し、フォトリソグラフィーにより外部電極９に対応する部分をパターニングし、レジスト１５とする。つぎに、Ｔｉ／Ｐｔ膜を蒸着した後に、図７（ｄ）に示すように、リフトオフにより外部電極９、９を形成する。

その後、基板２の裏面を研磨し、研磨した裏面にＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ膜を蒸着してｎ側電極１を形成した後、４３０℃でアニールする。その後、へき開により端面を形成し、この端面に反射防止膜１０ａ、１０ｂを形成し、素子分離して、半導体光増幅素子１００が完成する。

つぎに、図１に示す本実施の形態１に係る半導体光増幅素子１００と、図８に示す従来の半導体光増幅素子２００との特性を、シミュレーション計算結果を用いて比較する。

なお、半導体光増幅素子２００は以下のようなものとする。まず、半導体活性層２４は、半導体光増幅素子１００の能動クラッド領域４ｂと同様に、ＩｎＧａＡｓＰからなり、井戸層厚が６ｎｍ、障壁層厚が１０ｎｍの６層のＭＱＷとその両側の３段階のＳＣＨからなるＭＱＷ−ＳＣＨ活性層とする。また、半導体活性層２４の幅は４．２μｍとする。また、閉じ込め係数Γは、従来実現されている５％とする。また、半導体活性層２４と、半導体活性層２４を囲む各層との屈折率差は、閉じ込め係数Γが上記値となるように設定している。また、上部クラッド層２５ａ〜２５ｃには１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でＺｎが添加されているとする。

また、各半導体光増幅素子の利得長、すなわち、光の導波方向における能動クラッド領域４ｂの長さおよび半導体活性層２４の長さは、いずれも２ｍｍとする。

半導体光増幅素子２００においては、Ｚｎが添加された上部クラッド層２５ａ〜２５ｃに染み出す光の割合は４１．６％となる。一方、半導体光増幅素子１００においては、Ｚｎが添加された能動領域上部クラッド層５ｂ、５ｂに染み出す光の割合は１０．５％となり、半導体光増幅素子２００の場合の１／４程度の小ささである。

ここで、Ｚｎが添加された層への光の染み出しの割合とＺｎの光吸収による光損失とは、ほぼ比例の関係にある。したがって、Ｚｎによる光損失について、半導体光増幅素子１００は半導体光増幅素子２００の１／４程度にまで低減できる。たとえば、半導体光増幅素子２００のＺｎの吸収による光損失を１６ｃｍ^−１とすると、半導体光増幅素子１００の光損失は４ｃｍ^−１と見積もることができる。

そして、以上の条件の下、各半導体光増幅素子への注入電流を２１００ｍＡとして、波長１．５５μｍで光強度が０ｄＢｍの光を入力した場合の光増幅特性を計算した。その結果、半導体光増幅素子２００においては光出力が２１．０２ｄＢｍ、ＮＦが５．１６１ｄＢであった。これに対して、半導体光増幅素子１００においては光出力が２５．３２ｄＢｍ、ＮＦが３．３６１ｄＢであった。すなわち、半導体光増幅素子１００においては、半導体光増幅素子２００よりも４．３ｄＢも高出力であり、１．８ｄＢも低雑音であった。

なお、上記実施の形態１に係る半導体光増幅素子１００では、能動クラッド領域４ｂの半導体活性層はＭＱＷ構造を有しているが、ＭＱＷ構造の井戸層数、層厚等は適宜設定できる。また、この半導体活性層は、バルク構造を有するものとしてもよい。従来構造の半導体光増幅素子では、半導体活性層がバルク構造である場合は閉じ込め係数Γを１％にまで小さくするのはきわめて困難である。しかしながら本発明に係る半導体光増幅素子であれば１％あるいはそれ以下の閉じ込め係数Γを容易に実現できる。

また、上記実施の形態１に係る半導体光増幅素子１００は、波長１．５５μｍ帯の光を増幅しながら単一モードで導波するようにその化合物半導体や電極等の材料、サイズ等が設定されている。しかしながら、各材料やサイズ等は、増幅したい光の波長または導波モードに応じて適宜設定できる。

また、上記実施の形態１に係る半導体光増幅素子１００は、電流注入構造により能動クラッド領域４ｂの半導体活性層を励起しているが、励起光によって励起してもよい。

また、上記実施の形態１に係る半導体光増幅素子１００では、受動領域Ａ、能動領域Ｂ、Ｂにおいて３層のスラブ構造を形成している。しかしながら、光増幅導波層４において光を増幅しながら導波することができるような構造であれば特に限定されない。

また、上記実施の形態１に係る半導体光増幅素子１００は、光増幅器として機能するものである。しかしながら、この半導体光増幅素子１００は、反射防止膜１０ａ、１０ｂを形成しない場合には、端面は所定の反射率を有することとなるので、この２つの端面によって光共振器を形成して、増幅しながら導波する光をレーザ発振させるようにすれば、半導体レーザ装置として用いることができる。また、この半導体光増幅素子１００は、反射防止膜１０ａ、１０ｂの代わりに所望の反射率を有する反射膜を形成しても、同様に半導体レーザ装置として用いることができる。このような半導体レーザ装置は、閉じ込め係数Γが小さく、内部の光損失が低減されているので、高出力で低閾値のレーザ装置となる。

また、本発明に係る半導体光増幅素子をアレイ状に並べて、半導体光増幅アレイ素子として用いることもできる。このような半導体光増幅アレイ素子は、特にＡＷＧのような多チャンネルの微少光回路と組み合わせて好適に使用できる。

１、２１ ｎ側電極
２、２２ 基板
３ａ 受動領域下部クラッド層
３ｂ 能動領域下部クラッド層
４ 光増幅導波層
４ａ 受動コア領域
４ｂ 能動クラッド領域
４ｂａ 側壁
５ａ 受動領域上部クラッド層
５ｂ 能動領域上部クラッド層
６、２６ コンタクト層
７、２７ 保護膜
８、２８ ｐ側電極
９、２９ 外部電極
１０ａ、１０ｂ 反射防止膜
１１ ＳｉＮ膜
１２、１４、１５ レジスト
１３ ＡｕＺｎ膜
２３ 下部クラッド層
２４ 半導体活性層
２５ａ〜２５ｃ 上部クラッド層
３０ 電流阻止層
３０ａ 下部電流阻止層
３０ｂ 上部電流阻止層
１００、２００ 半導体光増幅素子
Ａ 受動領域
Ｂ 能動領域
Ｄ 窪み部
Ｌ１〜Ｌ４ 線
Ｓ１〜Ｓ５ 成分

Claims (10)

1. 半導体からなる受動コア領域と、
   前記受動コア領域の両側に位置し、前記受動コア領域よりも屈折率が低い半導体活性層からなる能動クラッド領域と、
   を有する光増幅導波層を備え、前記光増幅導波層において光を増幅しながら導波することを特徴とする半導体光増幅素子。
2. 前記光増幅導波層は、化合物半導体からなり、化合物半導体からなる基板上に、バットジョイント成長方法を用いて前記受動コア領域と前記能動クラッド領域とをモノリシックに集積して形成したものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体光増幅素子。
3. 前記半導体活性層は、多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光増幅素子。
4. 前記半導体活性層は、バルク構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光増幅素子。
5. 前記受動コア領域は、該受動コア領域よりも実効的な屈折率が低い２つの受動領域クラッド層の間に介挿され、３層のスラブ構造を形成していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体光増幅素子。
6. 前記能動クラッド領域は、該能動クラッド領域よりも屈折率が低い２つの能動領域クラッド層の間に介挿され、３層のスラブ構造を形成していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の半導体光増幅素子。
7. 前記光増幅導波層は、前記光を単一横モードで導波するように、前記受動コア領域と前記能動クラッド領域との実効的な屈折率、ならびに前記受動コア領域の幅が設定されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体光増幅素子。
8. 前記半導体活性層に電流を注入する電流注入構造を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の半導体光増幅素子。
9. 前記光の導波する方向に対して垂直または傾斜した２つの端面に形成した反射防止膜を備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の半導体光増幅素子。
10. 前記光をレーザ発振させる光共振器構造を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の半導体光増幅素子。

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