JP2011243891A - Quantum dot semiconductor optical amplifier - Google Patents

Quantum dot semiconductor optical amplifier Download PDF

Info

Publication number
JP2011243891A
JP2011243891A JP2010116932A JP2010116932A JP2011243891A JP 2011243891 A JP2011243891 A JP 2011243891A JP 2010116932 A JP2010116932 A JP 2010116932A JP 2010116932 A JP2010116932 A JP 2010116932A JP 2011243891 A JP2011243891 A JP 2011243891A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
optical amplifier
quantum dot
band
semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2010116932A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Ken Amano
建 天野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST filed Critical National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority to JP2010116932A priority Critical patent/JP2011243891A/en
Publication of JP2011243891A publication Critical patent/JP2011243891A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical amplifier which is capable of amplifying a narrow band for a 1.3 μm band desired for high-speed optical communication.SOLUTION: An optical amplifier is a semiconductor optical amplifier for a narrow band equal to or less than a half-value width of 30 nm for a 1.3 μm band, by providing a quantum dot structure consisting of over an N-GaAs substrate 1, an N-AlGaAs clad layer 2, a quantum dot active layer 3, a P-AlGaAs clad layer 4, and a P-GaAs contact layer 5 in the order and by constituting the active layer 3 with uniform quantum dots. By injecting current, a wavelength other than a gain wavelength can be attenuated and a deflection state can be switched.

Description

本発明は、光ファイバー通信に好適な量子ドット半導体からなる光増幅器に関する。   The present invention relates to an optical amplifier made of a quantum dot semiconductor suitable for optical fiber communication.

従来、通信用光増幅器には半導体タイプと光ファイバータイプがあり、従来の半導体光増幅器は、光ファイバー通信で主要である1.55μm帯であり、波長多重通信に適応した広帯域であることや、増幅の大きなハイパワーであること等の特性が重視されてきた。   Conventionally, there are two types of optical amplifiers for communication: a semiconductor type and an optical fiber type. The conventional semiconductor optical amplifier is a 1.55 μm band, which is main in optical fiber communication, and has a wide band adapted for wavelength division multiplexing, Characteristics such as large high power have been emphasized.

半導体光増幅器の活性層には、バルク構造、量子井戸構造、量子ドット構造のものがある。量子ドット構造を用いた光増幅器について先行技術調査をすると特許文献1〜3がある。   The active layer of a semiconductor optical amplifier includes a bulk structure, a quantum well structure, and a quantum dot structure. Prior art studies on optical amplifiers using quantum dot structures include Patent Documents 1 to 3.

従来、量子ドット構造を半導体光増幅器に応用すると、増幅帯域1.2〜1.5μmの増幅帯域を有する、広帯域、高飽和出力の素子が得られることが知られている(特許文献1段落169等参照)。また、半導体光増幅器は、小型で高速応答が可能である等の特長を有するため、全信号処理を実現するためのデバイスとして期待され、特に自己形成量子ドットを利得媒質に用いたものは、利得帯域が広い(広帯域増幅)、光出力が高い(高い飽和光出力)等の優れた特性を有するものとして知られている(特許文献2段落2,3等参照)。   Conventionally, it is known that when a quantum dot structure is applied to a semiconductor optical amplifier, a broadband, high-saturation output device having an amplification band of 1.2 to 1.5 μm is obtained (Patent Document 1, paragraph 169). Etc.). In addition, semiconductor optical amplifiers have features such as being small and capable of high-speed response. Therefore, semiconductor optical amplifiers are expected as devices for realizing all signal processing. It is known to have excellent characteristics such as a wide band (broadband amplification) and high light output (high saturation light output) (see paragraphs 2 and 3 of Patent Document 2).

本発明者は、量子ドット構造について鋭意研究を重ね、光通信用1.3μm波長帯を使用範囲とする半導体レーザーの技術(特許文献4参照)、量子ドットのエネルギー準位を制御する技術(特許文献5参照)、量子ドット集合体のスペクトル幅の狭帯化に関する技術(特許文献6参照)を提案してきた。   The present inventor has conducted extensive research on the quantum dot structure, a semiconductor laser technology (see Patent Document 4) that uses the 1.3 μm wavelength band for optical communication, and a technology for controlling the energy level of the quantum dot (patent) Reference 5), and a technology for narrowing the spectral width of a quantum dot assembly (see Patent Document 6) has been proposed.

特開2007−251089号公報JP 2007-251089 A 特開2008−91420号公報JP 2008-91420 A 特開2010−44413号公報JP 2010-44413 A 特開2007−53322号公報JP 2007-53322 A 特開2007−194378号公報JP 2007-194378 A 特開2010−54695号公報JP 2010-54695 A

これまでの光増幅器に関する提案では主に発光波長が1.55μm帯のものであった。今年度から100Gbpsイーサーネットの規格がIEEEで決定される。この規格では通信波長帯1.3μm帯での高速通信を想定している。現時点の規格案には光増幅器の使用は想定されていないが、今後を見越して1.3μm帯光増幅器の開発を行うことが重要であり、本発明は次世代1.3μm帯光増幅器を実現しようとするものである。   In the proposals related to the optical amplifier so far, the emission wavelength is mainly in the 1.55 μm band. From this year, the standard for 100 Gbps Ethernet will be determined by IEEE. This standard assumes high-speed communication in the communication wavelength band of 1.3 μm. Although it is not envisaged to use an optical amplifier in the current standard proposal, it is important to develop a 1.3 μm band optical amplifier in anticipation of the future, and the present invention realizes the next generation 1.3 μm band optical amplifier. It is something to try.

従来の量子ドット構造の半導体光増幅器は広帯域増幅であったので、次世代の光増幅器として使用することができないという問題がある。即ち、量子ドットのサイズばらつきを大きくして、広い波長帯域を目的とするものであった。   A conventional semiconductor optical amplifier having a quantum dot structure has a wideband amplification, and therefore cannot be used as a next-generation optical amplifier. That is, the size variation of the quantum dots is increased, and a wide wavelength band is aimed.

本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、半導体光増幅器において、増幅波長1.3μm帯付近で狭い帯域を増幅できることを目的とするものである。1.3μm帯とは、1280nm〜1340nmをいう。   The present invention is intended to solve these problems, and an object of the present invention is to be able to amplify a narrow band in the vicinity of an amplification wavelength of 1.3 μm in a semiconductor optical amplifier. The 1.3 μm band refers to 1280 nm to 1340 nm.

本発明者は上記課題を解決するために鋭意検討を行い、量子ドット活性層がデルタ関数状エネルギー準位を有することに着目し、量子ドットを高密度かつ高均一化することで、増幅波長1.3μm帯で狭い帯域を増幅できる半導体増幅器を提供するものである。
本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有する。
The present inventor has intensively studied in order to solve the above-mentioned problems, paying attention to the fact that the quantum dot active layer has a delta function energy level, and by making the quantum dots highly dense and highly uniform, an amplification wavelength of 1 A semiconductor amplifier capable of amplifying a narrow band in the 3 μm band is provided.
In order to achieve the above object, the present invention has the following features.

本発明の装置は、半導体光増幅器であって、活性層が均一な量子ドットである半導体構造を備えることを特徴とする。特に波長1.3μm帯用で狭い帯域を増幅する。増幅帯域の半値幅が30nm以下であることが好ましい。本発明の光増幅器は、フィルター機能を有するので、フィルターとして使用することが好適である。また、前記半導体構造は、電極を備え、電流を注入することにより利得波長以外の波長を減衰させることができる。また、前記半導体構造は、電極を備え、電流を注入することにより偏向状態をスイッチングすることができる。   The apparatus of the present invention is a semiconductor optical amplifier, characterized in that it comprises a semiconductor structure in which the active layer is a uniform quantum dot. In particular, a narrow band is amplified for a wavelength band of 1.3 μm. The half bandwidth of the amplification band is preferably 30 nm or less. Since the optical amplifier of the present invention has a filter function, it is preferably used as a filter. The semiconductor structure includes an electrode, and can attenuate wavelengths other than the gain wavelength by injecting current. The semiconductor structure includes an electrode and can switch a deflection state by injecting a current.

ここで、量子ドットは、ナノメーターサイズの半導体微粒子であり、大きさが数十ナノメートル程度である。本発明の量子ドット層は、量子ドットサイズが均一であり、その量子ドットから発生する光の発光半値幅はエネルギー準位換算で30meV以下、波長換算で24nmの範囲内である。この発光半値幅の狭さが量子ドットの均一性を示している。本発明の量子ドット層は、高密度であり、面密度6×1010cm−2〜10×1010cm−2の範囲内である。本発明の活性層は、量子ドット層が複数積層された層からなり、大きな増幅を得るためにできるだけ多い方がよいが,光の伝播モードの単一化の観点から10層以内であることが好ましい。具体的には、本発明の活性層は、1層〜10層であり、好ましくは5層〜10層である。 Here, the quantum dots are nanometer-sized semiconductor fine particles and have a size of about several tens of nanometers. The quantum dot layer of the present invention has a uniform quantum dot size, and the emission half-value width of light generated from the quantum dot is within 30 meV in terms of energy level and in the range of 24 nm in terms of wavelength. The narrow half-value emission width indicates the uniformity of the quantum dots. The quantum dot layer of the present invention has a high density and a surface density in the range of 6 × 10 10 cm −2 to 10 × 10 10 cm −2 . The active layer of the present invention is composed of a layer in which a plurality of quantum dot layers are stacked, and is preferably as many as possible in order to obtain a large amplification, but it should be within 10 layers from the viewpoint of unifying light propagation modes. preferable. Specifically, the active layer of the present invention has 1 to 10 layers, preferably 5 to 10 layers.

本発明によれば、半導体増幅器の活性層の量子ドット構造の量子ドットを高密度かつ高均一化することで、狭い帯域を増幅できる。本発明の量子ドット構造の光増幅器は、40Gbpsや100Gbpsイーサーネットの規格に対応した通信波長帯1.3μm帯の光増幅特性を有している。増幅帯域が30nm以下と狭いため、フィルター機能を有する増幅器として有用である。   According to the present invention, it is possible to amplify a narrow band by making the quantum dots of the quantum dot structure of the active layer of the semiconductor amplifier highly dense and highly uniform. The quantum dot structure optical amplifier of the present invention has optical amplification characteristics in a communication wavelength band of 1.3 μm band corresponding to the standards of 40 Gbps and 100 Gbps Ethernet. Since the amplification band is as narrow as 30 nm or less, it is useful as an amplifier having a filter function.

本発明によれば、注入電流によって、利得波長以外はキャリアプラズマ効果で減衰させることができる。また、本発明によれば、量子ドット構造は、扁平なドットであるため入射偏光依存特性があるので、注入電流により、偏向状態を選択することができ、偏向状態をスイッチングする素子として利用できる。   According to the present invention, the portion other than the gain wavelength can be attenuated by the carrier plasma effect by the injected current. Further, according to the present invention, since the quantum dot structure is a flat dot and has an incident polarization dependent characteristic, the deflection state can be selected by an injection current and can be used as an element for switching the deflection state.

本発明の半導体量子ドット光増幅器の構造の主要部を示す図である。It is a figure which shows the principal part of the structure of the semiconductor quantum dot optical amplifier of this invention. 本発明の量子ドット活性層の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the quantum dot active layer of this invention. 本発明の半導体光増幅器のデバイス構造を示す図である。It is a figure which shows the device structure of the semiconductor optical amplifier of this invention. 第1の実施の形態における半導体光増幅器の透過特性を示す図である。It is a figure which shows the transmission characteristic of the semiconductor optical amplifier in 1st Embodiment. 第1の実施の形態の半導体光増幅器において電流を流したときの透過特性を示す図である。It is a figure which shows the transmission characteristic when an electric current is sent in the semiconductor optical amplifier of 1st Embodiment. 第1の実施の形態の半導体光増幅器において電流を流したときの増幅帯域以外の波長の透過特性を示す図である。It is a figure which shows the transmission characteristic of wavelengths other than the amplification zone | band when an electric current is sent in the semiconductor optical amplifier of 1st Embodiment. 第2の実施の形態の半導体光増幅器において入射光がTE偏光とTM偏光の場合の透過光特性を示す図である。It is a figure which shows the transmitted light characteristic in case the incident light is TE polarized light and TM polarized light in the semiconductor optical amplifier of 2nd Embodiment.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態について、図1〜図6を参照して以下説明する。図1に、本実施の形態の半導体量子ドット光増幅器の構造の主要部を示す。図1に示すように、半導体量子ドット光増幅器の構造の主要部は、半導体基板1上に、クラッド層2、量子ドット活性層3、クラッド層4、コンタクト層5の順に形成されて構成される。具体的には、N−GaAs基板1上に、N−AlGaAsクラッド層2、量子ドット活性層3、P−AlGaAsクラッド層4、P−GaAsコンタクト層5の順で構成される。例えば、N−GaAs基板1上に、アルミニウム(Al)組成40%、ガリウム(Ga)組成60%のSiドープのN−AlGaAsクラッド層2、InAs量子ドットとGaAs層からなる活性層3、アルミニウム(Al)組成40%、ガリウム(Ga)組成60%のBeドープのP−AlGaAsクラッド層4、BeドープのP−GaAsコンタクト層5を形成して作成した。なお、上記AlGaAsクラッド層2、4において、第13族元素(Ga、Al)と第15族元素(As)の混合率は半々である。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 shows a main part of the structure of the semiconductor quantum dot optical amplifier according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the main part of the structure of the semiconductor quantum dot optical amplifier is formed on a semiconductor substrate 1 in the order of a cladding layer 2, a quantum dot active layer 3, a cladding layer 4, and a contact layer 5. . Specifically, an N-AlGaAs cladding layer 2, a quantum dot active layer 3, a P-AlGaAs cladding layer 4, and a P-GaAs contact layer 5 are formed on an N-GaAs substrate 1 in this order. For example, on an N-GaAs substrate 1, an Si-doped N-AlGaAs cladding layer 2 having an aluminum (Al) composition of 40% and a gallium (Ga) composition of 60%, an active layer 3 composed of InAs quantum dots and a GaAs layer, aluminum ( A Be-doped P-AlGaAs cladding layer 4 and a Be-doped P-GaAs contact layer 5 having an Al) composition of 40% and a gallium (Ga) composition of 60% were formed. In the AlGaAs cladding layers 2 and 4, the mixing ratio of the group 13 element (Ga, Al) and the group 15 element (As) is half.

クラッド層2、4は、光を活性層3に閉じ込めるために用いている。活性層3は、電気から光に変換する層である。コンタクト層5は、電極との接触抵抗を低減するためである。ドープは電流注入のために施している。   The clad layers 2 and 4 are used to confine light in the active layer 3. The active layer 3 is a layer that converts electricity into light. The contact layer 5 is for reducing contact resistance with the electrode. Doping is performed for current injection.

図2に、量子ドット活性層3の詳細構造を示す。活性層3は、図2のように、GaAs層31、InAs量子ドット層32、InGaAs層33、GaAs層34、InAs量子ドット層35、InGaAs層36、GaAs層37、InAs量子ドット層38、InGaAs層39等からなる。活性層は、図2のように、InAs量子ドット層とInGaAs層(合わせて「1ペア」と呼ぶ)を、例えば合計9ペア配置する。InAs量子ドット層は、In、2.4ML(2.4分子層)供給されており、その上部にIn22%のInGaAs層(2.5nm)を成長させている。各量子ドットの1ペアと他のペアとの間にGaAs層(39nm)を配置している。InAs量子ドット層とInGaAs層とGaAs層とをまとめて、量子ドットの積層数を1層と数えると、代表例は9層からなる。   FIG. 2 shows a detailed structure of the quantum dot active layer 3. As shown in FIG. 2, the active layer 3 includes a GaAs layer 31, an InAs quantum dot layer 32, an InGaAs layer 33, a GaAs layer 34, an InAs quantum dot layer 35, an InGaAs layer 36, a GaAs layer 37, an InAs quantum dot layer 38, and an InGaAs. It consists of a layer 39 and the like. As shown in FIG. 2, the active layer includes, for example, a total of nine pairs of InAs quantum dot layers and InGaAs layers (collectively referred to as “one pair”). The InAs quantum dot layer is supplied with In, 2.4 ML (2.4 molecular layer), and an In22% InGaAs layer (2.5 nm) is grown on the InAs quantum dot layer. A GaAs layer (39 nm) is disposed between one pair of each quantum dot and the other pair. When the InAs quantum dot layer, the InGaAs layer, and the GaAs layer are combined and the number of stacked quantum dots is counted as one layer, a representative example is composed of nine layers.

図2で、InAs量子ドット層(32、35、38)として表した層は、InAs薄膜層とInAs量子ドットとから構成してもよい。図2で、InAs量子ドット層の上に設けているInGaAs層(33、36、39)は、歪み緩和層であり、増幅波長を決定する要因である。InGaAs層を設けない場合は、増幅波長が1.0μm〜1.2μmとなり、1.3μm帯にはならない。   In FIG. 2, the layers represented as InAs quantum dot layers (32, 35, 38) may be composed of InAs thin film layers and InAs quantum dots. In FIG. 2, the InGaAs layers (33, 36, 39) provided on the InAs quantum dot layer are strain relaxation layers and are factors that determine the amplification wavelength. When the InGaAs layer is not provided, the amplification wavelength is 1.0 μm to 1.2 μm, not the 1.3 μm band.

量子ドット層の数は、大きな増幅を得るためには多い方がよいが光伝播モードの単一化の観点から、1層以上10層以下であることが好ましい。量子ドット層の半導体材料は、III−V族化合物半導体を用いる。代表例として、InAs量子ドット層を示したが、InGaAsを用いることができる。歪み緩和層として、InGaAs層を用いたが、InAlAs層、InGaAlAs層を用いることができる。量子ドット層上の歪み緩和層と量子ドット層との間に位置するバリア層(31、34、37)として、GaAs層を用いたが、AlAs層、GaAlAs層を用いることができる。   The number of quantum dot layers is preferably large in order to obtain large amplification, but from the viewpoint of unifying the light propagation mode, it is preferably 1 layer or more and 10 layers or less. A III-V compound semiconductor is used as the semiconductor material of the quantum dot layer. As a representative example, an InAs quantum dot layer is shown, but InGaAs can be used. Although an InGaAs layer is used as the strain relaxation layer, an InAlAs layer or an InGaAlAs layer can be used. As the barrier layer (31, 34, 37) located between the strain relaxation layer and the quantum dot layer on the quantum dot layer, a GaAs layer is used, but an AlAs layer or a GaAlAs layer can be used.

本実施の形態の半導体量子ドット光増幅器の構造の作製方法を示す。本発明の特徴である図2の量子ドット活性層の部分について作製方法を説明する。半導体基板上に設けられているGaAs層31上に、InAs薄膜層とその上のInAs量子ドット32を設け、その上にInGaAs層33を設けて平坦化し、GaAs層34を設け、これを繰り返す。具体的に説明すると、GaAs層31上にAsを供給しながら、成長中断を60秒入れた後、InとAsを供給して、InAs量子ドット32を製作した。さらにAsを供給しながら30秒の成長中断中に成長温度を50℃ほど下げ、その上に、InとGaとAsを供給しInGaAs層33を成長させる。さらにその上に、GaとAsを供給し、GaAs層34を成長させた。以後同様に繰り返した。InGaAs層のIn組成は高ければ高いほど、InAs量子ドットとGaAs層との間の歪みを緩和させる効果を発揮するので、量子ドットの特性を向上させる。InGaAs層の組成は両者の歪みの中間点であるIn0.5Ga0.5Asが最もよい。本実施の形態ではInGaAs層を薄くし、臨界膜厚によるミスフィット転移の影響を減らしている。 A method for manufacturing the structure of the semiconductor quantum dot optical amplifier according to the present embodiment will be described. A method of manufacturing the quantum dot active layer portion of FIG. 2 which is a feature of the present invention will be described. An InAs thin film layer and an InAs quantum dot 32 thereon are provided on a GaAs layer 31 provided on a semiconductor substrate, an InGaAs layer 33 is provided thereon for planarization, a GaAs layer 34 is provided, and this is repeated. Specifically, while supplying As 2 onto the GaAs layer 31, the growth interruption was put in for 60 seconds, and In and As 2 were then supplied to produce InAs quantum dots 32. Further, while supplying As 2 , the growth temperature is lowered by about 50 ° C. while the growth is interrupted for 30 seconds, and then In, Ga, and As 2 are supplied to grow the InGaAs layer 33. Further thereon, Ga and As 2 were supplied to grow a GaAs layer 34. Thereafter, the same was repeated. The higher the In composition of the InGaAs layer, the more effective it is to reduce the strain between the InAs quantum dots and the GaAs layer, so that the characteristics of the quantum dots are improved. The composition of the InGaAs layer is best at In 0.5 Ga 0.5 As, which is the midpoint between the two strains. In this embodiment, the InGaAs layer is thinned to reduce the influence of misfit transition due to the critical film thickness.

層構造を繰り返すと、InGaAs層後のGaAs層がフラットになりにくい。このため、GaAsの成長速度を1.0μm/hour以下の低成長速度にする。また、成長温度は上部の層(2層目と3層目)は下部の層(1層目と2層目)に比べて、同じか5℃高い温度が良い。各層でほぼ同一なInAs量子ドットが製造できた。面密度8×1010cm−2以上のInAs量子ドットを用いて9層の重ね構造を製作した。 If the layer structure is repeated, the GaAs layer after the InGaAs layer is less likely to be flat. For this reason, the growth rate of GaAs is set to a low growth rate of 1.0 μm / hour or less. The growth temperature of the upper layer (second layer and third layer) is preferably the same or higher by 5 ° C. than the lower layer (first layer and second layer). Nearly identical InAs quantum dots could be produced in each layer. A 9-layer stacked structure was manufactured using InAs quantum dots having an areal density of 8 × 10 10 cm −2 or more.

図3に、本実施の形態の半導体光増幅器のデバイス構造を示す。光増幅器7は、光ファイバー6から入射する光を増幅して光ファイバー6に出力する。光増幅器7を拡大した構造を図中に示す。光増幅器として、メサ導波路構造の例を示す。光増幅器は、上下に電極を備え、活性層に効率よく電流注入することができる構造になっている。導波路幅は5μm、共振器の長さ(導波路長)は2mmとしたが、幅及び長さは所用の増幅率や消費電力に応じて適宜設定するとよい。   FIG. 3 shows a device structure of the semiconductor optical amplifier according to the present embodiment. The optical amplifier 7 amplifies the light incident from the optical fiber 6 and outputs the amplified light to the optical fiber 6. An enlarged structure of the optical amplifier 7 is shown in the figure. An example of a mesa waveguide structure is shown as an optical amplifier. The optical amplifier has electrodes on the upper and lower sides and has a structure that can efficiently inject current into the active layer. The waveguide width is 5 μm and the length of the resonator (waveguide length) is 2 mm. However, the width and length may be appropriately set according to the required amplification factor and power consumption.

本実施の形態の増幅器の増幅機能について説明する。増幅特性について、次の測定を行った。半導体光増幅器の導波路両端に光ファイバーを配置し、片方から光を入力させ、もう一方から光を受ける測定系とした(図3)。入力側から波長可変レーザーを用いて、任意の波長と出力の光を入力した。光ファイバーで受けた出力光をパワーメーターまたはスペクトルアナライザーで観測した。また、半導体光増幅器にヒートシンクは付けていない。   The amplification function of the amplifier of this embodiment will be described. The following measurement was performed for the amplification characteristics. An optical fiber is arranged at both ends of the waveguide of the semiconductor optical amplifier, and a measurement system is provided in which light is input from one side and receives light from the other side (FIG. 3). Light of an arbitrary wavelength and output was input from the input side using a wavelength tunable laser. The output light received by the optical fiber was observed with a power meter or spectrum analyzer. Further, the semiconductor optical amplifier has no heat sink.

図4に、入射光3μW、TE偏光(横波)、注入電流0mAでの透過特性を示す。図4の横軸は、透過光の波長、縦軸は透過光パワーである。測定結果から1330nm付近に透過光の谷がある。これは量子ドット活性層による光吸収である。理論的にフォトルミネッセンス法と対を成す結果であり、活性層の特徴を良く示している。また、光ファイバーと半導体光増幅器とのカップリング損失は3.5dB、半導体光増幅器の導波ロスは8dBあった。これに50mAの電流を注入した透過特性結果を、図5に示す。図5の横軸は透過光の波長、縦軸は透過光パワーである。電流を注入することで光の増幅が行われる。1330nm付近の利得領域中心で光増幅が行われており,増幅帯域の半値幅は約30nmとなっている。また、1330nmにおいて,電流注入前は透過光が1.65nWであったのに対して,50mA注入時は408.48nWとなっており,24dB増幅している。また,入射光3μWに対する増幅率はカップリング損失3.5dBと8dBを考慮し,7dBであると推定される。   FIG. 4 shows transmission characteristics when incident light is 3 μW, TE polarized light (transverse wave), and injection current 0 mA. In FIG. 4, the horizontal axis represents the wavelength of the transmitted light, and the vertical axis represents the transmitted light power. From the measurement results, there is a valley of transmitted light in the vicinity of 1330 nm. This is light absorption by the quantum dot active layer. The result is theoretically paired with the photoluminescence method, and shows the characteristics of the active layer well. The coupling loss between the optical fiber and the semiconductor optical amplifier was 3.5 dB, and the waveguide loss of the semiconductor optical amplifier was 8 dB. FIG. 5 shows the result of transmission characteristics obtained by injecting a current of 50 mA. The horizontal axis of FIG. 5 is the wavelength of transmitted light, and the vertical axis is the transmitted light power. Light is amplified by injecting current. Optical amplification is performed at the center of the gain region near 1330 nm, and the half bandwidth of the amplification band is about 30 nm. At 1330 nm, the transmitted light was 1.65 nW before current injection, whereas it was 408.48 nW at 50 mA injection, which was amplified by 24 dB. The amplification factor for incident light of 3 μW is estimated to be 7 dB in consideration of coupling losses of 3.5 dB and 8 dB.

また、増幅帯域以外では電流注入することで、キャリアプラズマ効果により透過光が減衰する。図6に、入射光30μW、TE偏光の結果を示す。図6の横軸は入力電流(注入電流とも呼ぶ)、縦軸は透過光パワーである。増幅帯域の短波長側である1260nmと長波長側である1450nmを測定した。図6から、いずれの波長においても、電流の増加によって、光の減衰があることがわかる。1260nmで約2割、1450nmでは約6割の減衰が見られた。特に従来の量子井戸では短波長側に減衰帯域はなく、量子ドット特有の現象である。   Further, by injecting current outside the amplification band, the transmitted light is attenuated by the carrier plasma effect. FIG. 6 shows the result of incident light 30 μW and TE polarization. The horizontal axis in FIG. 6 is the input current (also called injection current), and the vertical axis is the transmitted light power. 1260 nm which is the short wavelength side of the amplification band and 1450 nm which is the long wavelength side were measured. From FIG. 6, it can be seen that at any wavelength, there is light attenuation due to an increase in current. Attenuation of about 20% was observed at 1260 nm and about 60% at 1450 nm. In particular, the conventional quantum well has no attenuation band on the short wavelength side, and is a phenomenon peculiar to quantum dots.

これらの測定結果に基づき、特定波長のみ増幅し、それ以外は減衰させるといったフィルター機能を有する光増幅器が実現できる。特定波長は、1330nmの例を示したが、量子ドットのドットサイズ及び組成、並びに歪み緩和層の組成及び層厚を変化させることにより、特定波長を変化させることができる。また、半導体素子は動作温度によって、0.1nm/Kの割合で発光波長が変化することが知られている。例えば10℃〜30℃の範囲内の所定温度で動作温度を設定すれば、特定波長を約2nm変化させることができる。   Based on these measurement results, an optical amplifier having a filter function of amplifying only a specific wavelength and attenuating the other wavelengths can be realized. Although the specific wavelength is 1330 nm, the specific wavelength can be changed by changing the dot size and composition of the quantum dots and the composition and layer thickness of the strain relaxation layer. Further, it is known that the emission wavelength of a semiconductor element changes at a rate of 0.1 nm / K depending on the operating temperature. For example, if the operating temperature is set at a predetermined temperature within a range of 10 ° C. to 30 ° C., the specific wavelength can be changed by about 2 nm.

本実施の形態の光増幅器は、特に光通信において重要となる1.3μm帯で、増幅帯域が狭いフィルター機能を有する。量子ドット構造の量子ドットとして高均一なものを作成することにより、増幅帯域が30nm以下という狭いフィルター機能を実現できる。量子ドットの均一性が高いということは、量子ドットから発生する光の発光半値幅が狭いということができる。本発明では、該発光半値幅が、エネルギー準位換算で30meV以下、波長換算で24nmの範囲内である。   The optical amplifier of the present embodiment has a filter function with a narrow amplification band in the 1.3 μm band which is particularly important in optical communication. By creating highly uniform quantum dots having a quantum dot structure, a narrow filter function with an amplification band of 30 nm or less can be realized. The high uniformity of quantum dots means that the emission half-value width of light generated from quantum dots is narrow. In the present invention, the emission half width is within 30 meV or less in terms of energy level and 24 nm in terms of wavelength.

また、本実施の形態の光増幅器は、注入電流を流すことにより、キャリアプラズマ効果により、他の波長を減衰させる効果を増大させることができるので、注入電流を加えることにより特定波長を透過させるフィルター機能を向上させる。注入電流値に応じてフィルター機能の性能を変化させることもできる。   In addition, since the optical amplifier of this embodiment can increase the effect of attenuating other wavelengths by the carrier plasma effect by flowing an injection current, a filter that transmits a specific wavelength by adding the injection current. Improve functionality. The performance of the filter function can be changed according to the injection current value.

100Gbイーサーネット規格では、4×25Gbで1.3μm帯を利用することが予想されるので、本実施の形態の光増幅器を、4波長から特定の1波長を取り出すフィルターとして用いることができる。   In the 100 Gb Ethernet standard, it is expected that the 1.3 μm band is used at 4 × 25 Gb. Therefore, the optical amplifier according to the present embodiment can be used as a filter for extracting one specific wavelength from four wavelengths.

(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態では、光増幅器への注入電流により偏向状態を選択することができる機能をもつことが特徴である。本実施の形態の半導体光増幅器は、第1の実施の形態と同様の構造を備えている。
(Second Embodiment)
The second embodiment of the present invention is characterized in that it has a function of selecting a deflection state by an injection current to the optical amplifier. The semiconductor optical amplifier of this embodiment has the same structure as that of the first embodiment.

本発明の量子ドットは、その形状が球体ではなく、平べったい円盤状となっている。このために反応する光の方向が横方向であり、出射光の偏光状態を変えることができる。第1の実施の形態で説明したものと同様の測定系で測定を行った。図7に、入射光をTE偏光(横波)又はTM偏光(縦波)にした時の透過光特性を示す。図7において、横軸は入力電流、縦軸は透過光パワーである。この時、入射光パワーは3μW、波長は1335nmである。TE偏光が光増幅するのに対して、TM偏光では透過光パワーは殆ど変化しない。注入電流が0mAの時、TE偏光(1.8nW)よりTM偏光(95nW)の方が大きな透過光パワー値を示す。一方、注入電流70mAではTM偏光(84nW)よりTE偏光(251nW)の方が大きな透過光パワー値を示す。このように注入電流を選ぶことで、透過光をTE偏光かTM偏光どちらかに選択することが可能となる。また、注入電流の大きさを例えば30mAのように選択すると、TE偏光とTM偏光を等しく透過させることもできる。   The quantum dot of the present invention is not a sphere but a flat disk. For this reason, the direction of the light which reacts is a horizontal direction, and the polarization state of emitted light can be changed. Measurement was performed using the same measurement system as described in the first embodiment. FIG. 7 shows transmitted light characteristics when incident light is changed to TE polarized light (transverse wave) or TM polarized light (longitudinal wave). In FIG. 7, the horizontal axis represents the input current, and the vertical axis represents the transmitted light power. At this time, the incident light power is 3 μW and the wavelength is 1335 nm. While TE polarized light is optically amplified, transmitted light power hardly changes in TM polarized light. When the injection current is 0 mA, TM polarized light (95 nW) shows a larger transmitted light power value than TE polarized light (1.8 nW). On the other hand, at an injection current of 70 mA, TE polarized light (251 nW) shows a larger transmitted light power value than TM polarized light (84 nW). By selecting the injection current in this way, the transmitted light can be selected from either TE polarized light or TM polarized light. Further, when the magnitude of the injection current is selected to be, for example, 30 mA, it is possible to transmit TE polarized light and TM polarized light equally.

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせることができる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims, and technical means disclosed in different embodiments can be appropriately combined.

本発明の装置は、IEEEの40Gbイーサーネットや100Gbイーサーネット規格に適応した1.3μm帯の光増幅器として有用である。   The apparatus of the present invention is useful as an optical amplifier of 1.3 μm band adapted to the IEEE 40 Gb Ethernet and 100 Gb Ethernet standards.

1、N−GaAs基板
2、N−AlGaAsクラッド層
3、量子ドット活性層
4、P−AlGaAsクラッド層
5、P−GaAsコンタクト層
6、光ファイバー
7、光増幅器
31、34、37、GaAs層
32、35、38、InAs量子ドット層
33、36、39、InGaAs層
1, N-GaAs substrate 2, N-AlGaAs cladding layer 3, quantum dot active layer 4, P-AlGaAs cladding layer 5, P-GaAs contact layer 6, optical fiber 7, optical amplifiers 31, 34, 37, GaAs layer 32, 35, 38, InAs quantum dot layer 33, 36, 39, InGaAs layer

Claims (4)

活性層が均一な量子ドットである半導体構造を備え、波長1.3μm帯の光増幅特性を有することを特徴とする狭帯域用半導体光増幅器。   A narrowband semiconductor optical amplifier comprising a semiconductor structure in which an active layer is a uniform quantum dot and having an optical amplification characteristic in a wavelength band of 1.3 μm. フィルター機能を有し、増幅帯域の半値幅が30nm以下であることを特徴とする請求項1記載の狭帯域用半導体光増幅器。   2. The semiconductor optical amplifier for a narrow band according to claim 1, which has a filter function and has a half-value width of 30 nm or less in the amplification band. 前記半導体構造は、電極を備え、電流を注入することにより利得波長以外の波長を減衰させることを特徴とする請求項1記載の狭帯域用半導体光増幅器。   2. The semiconductor optical amplifier for a narrow band according to claim 1, wherein the semiconductor structure includes an electrode and attenuates wavelengths other than the gain wavelength by injecting current. 前記半導体構造は、電極を備え、電流を注入することにより偏向状態をスイッチングすることを特徴とする請求項1記載の狭帯域用半導体光増幅器。   2. The semiconductor optical amplifier for a narrow band according to claim 1, wherein the semiconductor structure includes an electrode and switches a deflection state by injecting a current.
JP2010116932A 2010-05-21 2010-05-21 Quantum dot semiconductor optical amplifier Pending JP2011243891A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010116932A JP2011243891A (en) 2010-05-21 2010-05-21 Quantum dot semiconductor optical amplifier

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010116932A JP2011243891A (en) 2010-05-21 2010-05-21 Quantum dot semiconductor optical amplifier

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2011243891A true JP2011243891A (en) 2011-12-01

Family

ID=45410214

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010116932A Pending JP2011243891A (en) 2010-05-21 2010-05-21 Quantum dot semiconductor optical amplifier

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2011243891A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013197301A (en) * 2012-03-19 2013-09-30 Fujitsu Ltd Optical semiconductor element and optical semiconductor element manufacturing method
JP2014056983A (en) * 2012-09-13 2014-03-27 Fujitsu Ltd Semiconductor optical element and manufacturing method of the same
JP2018107415A (en) * 2016-12-28 2018-07-05 株式会社Qdレーザ Semiconductor laser

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004179206A (en) * 2002-11-25 2004-06-24 Hitachi Ltd Optical semiconductor device, optical transmission module and optical amplification module
JP2007311463A (en) * 2006-05-17 2007-11-29 Fujitsu Ltd Quantum dot semiconductor device
JP2010054695A (en) * 2008-08-27 2010-03-11 National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology Method of manufacturing optical device

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004179206A (en) * 2002-11-25 2004-06-24 Hitachi Ltd Optical semiconductor device, optical transmission module and optical amplification module
JP2007311463A (en) * 2006-05-17 2007-11-29 Fujitsu Ltd Quantum dot semiconductor device
JP2010054695A (en) * 2008-08-27 2010-03-11 National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology Method of manufacturing optical device

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013197301A (en) * 2012-03-19 2013-09-30 Fujitsu Ltd Optical semiconductor element and optical semiconductor element manufacturing method
JP2014056983A (en) * 2012-09-13 2014-03-27 Fujitsu Ltd Semiconductor optical element and manufacturing method of the same
JP2018107415A (en) * 2016-12-28 2018-07-05 株式会社Qdレーザ Semiconductor laser

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Park et al. A hybrid AlGaInAs–silicon evanescent amplifier
US6803604B2 (en) Semiconductor optical modulator, an optical amplifier and an integrated semiconductor light-emitting device
JP4922036B2 (en) Quantum dot semiconductor device
Li et al. Impact of the quantum well gain-to-cavity etalon wavelength offset on the high temperature performance of high bit rate 980-nm VCSELs
JP2010232424A (en) Semiconductor optical amplifier, and optical module
US7542201B2 (en) Semiconductor optical amplification device and optical integrated circuit
WO2007094063A1 (en) Semiconductor light amplifier
JP5698267B2 (en) Semiconductor device
JP2011243891A (en) Quantum dot semiconductor optical amplifier
JP2007219561A (en) Semiconductor light emitting device
JP2009260093A (en) Optical semiconductor device
JP2004179206A (en) Optical semiconductor device, optical transmission module and optical amplification module
EP1774628A2 (en) Linear optical amplifier using coupled waveguide induced feedback
Tanaka et al. Uncooled, polarization-insensitive AlGaInAs MQW-SOA module operable up to 75 C with constant current
USRE43416E1 (en) Semiconductor optical amplifier having a non-uniform injection current density
US10938183B2 (en) Wavelength-variable laser
JP5521678B2 (en) Semiconductor optical waveform shaping device
Hasegawa et al. Design and fabrication of semiconductor optical amplifier with low noise figure
Souli et al. 20 Gbit/s high-performance integrated MQW TANDEM modulators and amplifier for soliton generation and coding
JP2019102585A (en) Optical device
JP2005294510A (en) Semiconductor device
Sekiguchi et al. Highly efficient columnar-quantum-dot semiconductor optical amplifier in high temperature condition
Yamamoto et al. Quantum‑Dot‑Based Photonic Devices
TWI295121B (en)
JPH01251685A (en) Light amplifier

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20121205

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20131128

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20131224

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140205

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20140401