JP2015109365A - Semiconductor optical amplifier - Google Patents

Semiconductor optical amplifier Download PDF

Info

Publication number
JP2015109365A
JP2015109365A JP2013251957A JP2013251957A JP2015109365A JP 2015109365 A JP2015109365 A JP 2015109365A JP 2013251957 A JP2013251957 A JP 2013251957A JP 2013251957 A JP2013251957 A JP 2013251957A JP 2015109365 A JP2015109365 A JP 2015109365A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
quantum well
quantum
well layer
level control
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.)
Granted
Application number
JP2013251957A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6062847B2 (en
Inventor
吉田谷 弘明
Hiroaki Yoshidaya
弘明 吉田谷
山田 敦史
Atsushi Yamada
敦史 山田
慎太郎 森本
Shintaro Morimoto
慎太郎 森本
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.)
Anritsu Corp
Original Assignee
Anritsu Corp
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 Anritsu Corp filed Critical Anritsu Corp
Priority to JP2013251957A priority Critical patent/JP6062847B2/en
Publication of JP2015109365A publication Critical patent/JP2015109365A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6062847B2 publication Critical patent/JP6062847B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor optical amplifier (SOA) capable of optical amplification of polarization independence across a wide gain band in a wavelength range for performing optical communication.SOLUTION: A semiconductor optical amplifier comprises: an active layer 14 of a quantum well which has barrier layers 142 and composite quantum well layers 141 each composed of a plurality of semiconductor layers and in which the barrier layers 142 and the composite quantum well layers 141 are alternately stacked. The plurality of semiconductor layers of the composite quantum well layer 141 are composed of at least one layer of a quantum level control layer 143 for controlling a quantum level in the composite quantum well layer 141 and at least one layer of main quantum well layer 144 having bandgap smaller than that of the quantum level control layer 143. At least one layer of the quantum level control layer 143 and the main quantum well layer 144 has tensile strain against the substrate.

Description

本発明は、半導体光増幅器に係り、特に、活性層が歪量子井戸構造を有する半導体光増幅器に関する。   The present invention relates to a semiconductor optical amplifier, and more particularly to a semiconductor optical amplifier in which an active layer has a strained quantum well structure.

従来から、光通信システムに用いられる半導体光増幅器(SOA:Semiconductor Optical Amplifier)として、井戸層と障壁層からなる量子井戸構造を有する活性層を備えたものが知られている。このような量子井戸活性層は、量子閉じ込めがないバルク結晶からなる活性層と比較して状態密度が低減されているため、光学利得の波長帯域が広くなっている。量子井戸活性層においては、量子閉じ込め効果により重いホールバンドと軽いホールバンドとが乖離している。   2. Description of the Related Art Conventionally, a semiconductor optical amplifier (SOA) used in an optical communication system is known that includes an active layer having a quantum well structure including a well layer and a barrier layer. Since such a quantum well active layer has a reduced density of states compared to an active layer made of a bulk crystal without quantum confinement, the wavelength band of optical gain is wide. In the quantum well active layer, the heavy hole band and the light hole band are separated from each other due to the quantum confinement effect.

ここで、量子井戸活性層全体が基板と格子整合している場合には、重いホールの基底量子準位は軽いホールの基底量子準位よりも(電子エネルギーで見た場合に)高エネルギー側に存在するため、ホールは重いホールの基底準位へ集中する。この重いホールのバンド端では、双極子モーメント行列要素の絶対値の2乗はTEモードにのみ応答するため、TEモードの利得係数はTMモードの利得係数よりも大きくなる。   Here, when the entire quantum well active layer is lattice-matched with the substrate, the ground quantum level of heavy holes is higher than that of light holes (when viewed in terms of electron energy). Because they exist, the holes are concentrated at the ground level of heavy holes. At the band edge of this heavy hole, the square of the absolute value of the dipole moment matrix element responds only to the TE mode, and therefore the TE mode gain coefficient is larger than the TM mode gain coefficient.

加えて、結晶成長方向を垂直方向とすると、量子井戸活性層は垂直方向の厚さに比較して水平方向の幅が大きいため、光閉じ込め係数はTEモードの方がTMモードより大きくなるので、TEモードの光学利得はTMモードの光学利得を上回ることになる。   In addition, when the crystal growth direction is the vertical direction, since the quantum well active layer has a larger width in the horizontal direction than the thickness in the vertical direction, the optical confinement factor is larger in the TE mode than in the TM mode. The TE mode optical gain will exceed the TM mode optical gain.

しかしながら、通常、光通信システムを構成する光ファイバや各種光素子の状態は、外的要因(環境温度や外力等)によって時々刻々変化し、これに起因して光通信システムから送出される光信号の偏波方向も時々刻々変化している。このため、光通信システムに用いられるSOAには、任意の偏波方向の光信号に対して常に一定の光学利得を実現するために偏波無依存であることが求められる。   However, in general, the state of the optical fiber and various optical elements constituting the optical communication system changes every moment due to external factors (environmental temperature, external force, etc.), and the optical signal transmitted from the optical communication system due to this changes. The polarization direction of is changing every moment. For this reason, an SOA used in an optical communication system is required to be independent of polarization in order to always realize a constant optical gain for an optical signal in an arbitrary polarization direction.

そこで、偏波無依存を実現するために、量子井戸活性層の井戸層に伸張歪を印加することにより、量子閉じ込め効果により乖離した重いホールバンドと軽いホールバンドを補正し、TEモード及びTMモードの光学利得を一致させたSOAが提案されている(例えば、非特許文献1参照)。   Therefore, in order to realize polarization independence, by applying an extension strain to the well layer of the quantum well active layer, the heavy hole band and the light hole band separated by the quantum confinement effect are corrected, and the TE mode and the TM mode are corrected. An SOA in which the optical gains are matched is proposed (see, for example, Non-Patent Document 1).

一方、量子井戸活性層の障壁層に伸張歪を印加することにより、1550nm光波長帯において偏波無依存を実現する歪多重量子井戸(MQW:Multiple Quantum Well)構造も提案されている(例えば、非特許文献2参照)。   On the other hand, a strained multiple quantum well (MQW) structure that realizes polarization independence in the optical wavelength band of 1550 nm by applying an extension strain to the barrier layer of the quantum well active layer has also been proposed (for example, Non-patent document 2).

非特許文献2では、障壁層に伸張歪を印加することにより、MQW構造の全域に亘り、軽いホールの基底量子準位を重いホールの基底量子準位よりも高エネルギー側にシフトさせた構造となっている。この構造により、TMモードの利得を向上させ、優れた偏波無依存の増幅動作特性を実現している。   In Non-Patent Document 2, by applying an extension strain to the barrier layer, a structure in which the ground quantum level of a light hole is shifted to a higher energy side than the ground quantum level of a heavy hole over the entire MQW structure. It has become. With this structure, TM mode gain is improved, and excellent polarization-independent amplification operation characteristics are realized.

P. Koonath, Sangin Kim, Woon-Jo Cho, A. Gopinath, "Polarization-insensitive quantum-well semiconductor optical amplifiers", IEEE Journal of Quantum Electronics, Volume 38, Issue 9, Sep 2002, p. 1282 -1290P. Koonath, Sangin Kim, Woon-Jo Cho, A. Gopinath, "Polarization-insensitive quantum-well semiconductor optical amplifiers", IEEE Journal of Quantum Electronics, Volume 38, Issue 9, Sep 2002, p. 1282 -1290 K. Magari, M. Okamoto, Y. Noguchi, "1.55 μm polarization-insensitive high-gain tensile-strained-barrier MQW optical amplifier", IEEE Photonics Technology Letters, Volume 3, Issue11, Nov 1991, p. 998 -1000K. Magari, M. Okamoto, Y. Noguchi, "1.55 μm polarization-insensitive high-gain tensile-strained-barrier MQW optical amplifier", IEEE Photonics Technology Letters, Volume 3, Issue11, Nov 1991, p. 998 -1000 J. Barrau, B. Brousseau, M. Brousseau, R. J. Simes and L. Goldstein, "Novel principle of confinement in quantum-well structures", Electronics Letters, Volume 28, Number 8, pp.786-788, 1992J. Barrau, B. Brousseau, M. Brousseau, R. J. Simes and L. Goldstein, "Novel principle of confinement in quantum-well structures", Electronics Letters, Volume 28, Number 8, pp.786-788, 1992 C. P. Seltzer, S. D. Perrin, M. C. Tatham, D. M. Cooper, "Zero-net-strain multiquantum well lasers", Electronics Letters, Volume 27, Number 14, pp.1268-1270, 1991C. P. Seltzer, S. D. Perrin, M. C. Tatham, D. M. Cooper, "Zero-net-strain multiquantum well lasers", Electronics Letters, Volume 27, Number 14, pp.1268-1270, 1991

しかしながら、非特許文献1に開示された構成のように、井戸層に均一に伸張歪を印加して偏波無依存のSOAを実現する場合、以下に述べるように伸張歪の増大により電子のヘテロ障壁が減少するという問題が生じることが非特許文献3に掲載されている。   However, when a polarization-independent SOA is realized by uniformly applying a tensile strain to the well layer as in the configuration disclosed in Non-Patent Document 1, the heterogeneity of electrons is increased by increasing the tensile strain as described below. Non-Patent Document 3 discloses that the problem of a reduction in barriers occurs.

伝導帯の電子に対する実効的なヘテロ障壁は、図14に示す井戸層541内の電子の基底量子準位と障壁層542の伝導帯端とのエネルギー差であるヘテロ障壁高さΔEとなる。図14(a)から図14(b)に示すように、井戸層541の伸張歪を増加させるとヘテロ障壁高さΔEは減少し、電子が井戸層541から障壁層542及びクラッド層にオーバーフローして広い帯域の利得スペクトルが得られなくなるとともに、雑音指数(NF:Noise Figure)の低減が困難となる。   An effective heterobarrier for electrons in the conduction band is a heterobarrier height ΔE which is an energy difference between the ground quantum level of electrons in the well layer 541 and the conduction band edge of the barrier layer 542 shown in FIG. As shown in FIGS. 14A to 14B, when the extension strain of the well layer 541 is increased, the hetero barrier height ΔE is decreased, and electrons overflow from the well layer 541 to the barrier layer 542 and the cladding layer. In addition, a wide gain spectrum cannot be obtained, and it is difficult to reduce the noise figure (NF).

また、非特許文献3では、静電遮蔽現象により電子が空間的に局在し、伝導帯に量子準位が生じることが主張されている。しかしながら、このような現象の下で所望するSOAの利得波長帯を設計することは困難である。そればかりでなく、例えばSOAに入射する信号光強度が高速で大きく変化する場合、SOA内のキャリア密度が高速で変化するため、静電遮蔽現象により形成された量子準位も変化し、信号光利得が低下するなどの問題も考えられる。   In Non-Patent Document 3, it is claimed that electrons are spatially localized due to the electrostatic shielding phenomenon and a quantum level is generated in the conduction band. However, it is difficult to design a desired SOA gain wavelength band under such a phenomenon. In addition, for example, when the signal light intensity incident on the SOA changes greatly at high speed, the carrier density in the SOA changes at high speed, so that the quantum level formed by the electrostatic shielding phenomenon also changes, and the signal light There may be a problem such as a decrease in gain.

また、非特許文献2に開示された構成のように、障壁層に伸張歪を印加する構成に関しては、以下のような問題がある。本願出願人は、1310nm帯のスーパールミネッセントダイオード(SLD:Super Luminescent Diode)において、1%以上の伸張歪を有する障壁層を10nm以上に亘って形成した場合に、障壁層と井戸層とのヘテロ界面の平坦性が失われる現象を観測している。従って、障壁層に上記のような伸張歪を印加することは、例えば1310nm帯のSOAにおいては光学利得特性の劣化や製造の困難性に繋がると推察される。   In addition, as in the configuration disclosed in Non-Patent Document 2, there is the following problem regarding the configuration in which the tensile strain is applied to the barrier layer. In the case of a 1310 nm band super luminescent diode (SLD), when the barrier layer having a tensile strain of 1% or more is formed over 10 nm or more, the applicant of the present application We observe the phenomenon that the flatness of the heterointerface is lost. Therefore, it is presumed that applying the extension strain as described above to the barrier layer leads to deterioration of optical gain characteristics and difficulty in manufacturing in a 1310 nm band SOA, for example.

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、光通信を行う波長帯において、広い利得帯域に亘って偏波無依存の光増幅が可能な半導体光増幅器(SOA)を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve such a conventional problem, and is a semiconductor optical amplifier capable of polarization-independent optical amplification over a wide gain band in a wavelength band for optical communication ( The object is to provide SOA).

上記課題を解決するために、本発明の請求項1の半導体光増幅器は、障壁層と複数の半導体層からなる複合量子井戸層とを有し、当該障壁層と当該複合量子井戸層とが交互に積層されてなる量子井戸の活性層が基板上に形成された半導体光増幅器において、前記複合量子井戸層の前記複数の半導体層は、当該複合量子井戸層内の量子準位を制御する少なくとも1層の量子準位制御層と、当該量子準位制御層よりもバンドギャップの小さい少なくとも1層の主量子井戸層とからなり、当該量子準位制御層及び当該主量子井戸層のうち、少なくとも1層が前記基板に対して伸張歪を有する構成を有している。   In order to solve the above problems, a semiconductor optical amplifier according to claim 1 of the present invention has a barrier layer and a composite quantum well layer composed of a plurality of semiconductor layers, and the barrier layer and the composite quantum well layer are alternately arranged. In the semiconductor optical amplifier in which the quantum well active layer formed on the substrate is formed on the substrate, the plurality of semiconductor layers of the composite quantum well layer include at least one for controlling a quantum level in the composite quantum well layer. Each of the quantum level control layer and at least one main quantum well layer having a smaller band gap than the quantum level control layer, and at least one of the quantum level control layer and the main quantum well layer. The layer has a configuration having a tensile strain with respect to the substrate.

ここで、バンドギャップとは、電子エネルギーで見た場合、価電子帯における最も高いエネルギーを有する価電子帯端と伝導帯端のエネルギー差のことを指す。   Here, the band gap refers to an energy difference between the valence band edge having the highest energy in the valence band and the conduction band edge in terms of electron energy.

この構成により、複合量子井戸層内における伸張歪を有する層の価電子帯構造が軽いホールの量子準位を高エネルギー側へシフトさせるため、重いホールと軽いホールの量子準位を接近させることができる。   With this configuration, the valence band structure of the layer with tensile strain in the composite quantum well layer shifts the quantum level of light holes to the high energy side, so that the quantum levels of heavy and light holes can be brought closer. it can.

このような価電子帯構造において、量子井戸面内方向の有効質量は軽いホールが重いホールより大きいため状態密度が大きくなり、先に記したようなTEモードの光閉じ込め係数のTMモードに対する優位を打ち消すように作用し、TEモード及びTMモードの光学利得を一致させ偏波無依存を実現することができる。   In such a valence band structure, the effective mass in the in-plane direction of the quantum well increases the density of states because light holes are larger than heavy holes, and the TE mode optical confinement factor as described above is superior to the TM mode. It acts so as to cancel out, and the optical gain of the TE mode and the TM mode can be matched to realize polarization independence.

また、複合量子井戸において主量子井戸層のバンドギャップが最も小さいことから、当該主量子井戸層は複合量子井戸内にポテンシャルが深い領域を生じさせるため、電子の量子準位エネルギーを低下させる。このため伝導帯の電子に関する実効的なヘテロ障壁高さを十分に大きくして電子のオーバーフローを低減できるので、利得帯域を拡大することができる。   In addition, since the band gap of the main quantum well layer is the smallest in the composite quantum well, the main quantum well layer generates a region having a deep potential in the composite quantum well, thereby reducing the electron quantum level energy. For this reason, since the effective hetero barrier height for electrons in the conduction band can be sufficiently increased to reduce the overflow of electrons, the gain band can be expanded.

また、本発明の請求項2の半導体光増幅器では、前記複合量子井戸層の前記複数の半導体層が1層の前記主量子井戸層及び1層の前記量子準位制御層からなる構成を有している。   The semiconductor optical amplifier according to claim 2 of the present invention has a configuration in which the plurality of semiconductor layers of the composite quantum well layer include one main quantum well layer and one quantum level control layer. ing.

この構成により、本発明の半導体光増幅器における複合量子井戸層を構成する層数が最も少なくなるため製造性が向上する。   With this configuration, since the number of layers constituting the composite quantum well layer in the semiconductor optical amplifier of the present invention is minimized, the productivity is improved.

また、本発明の請求項3の半導体光増幅器では、前記複合量子井戸層の前記複数の半導体層は、複数の前記量子準位制御層と、少なくとも1層以上の前記主量子井戸層とからなり、少なくとも2層以上の当該量子準位制御層が、少なくとも1層以上の当該主量子井戸層を両側から挟むように積層された構成を有している。   In the semiconductor optical amplifier according to claim 3 of the present invention, the plurality of semiconductor layers of the composite quantum well layer include a plurality of quantum level control layers and at least one main quantum well layer. At least two or more quantum level control layers are stacked so as to sandwich at least one or more main quantum well layers from both sides.

この構成により、複数の量子準位制御層及び主量子井戸層それぞれのバンドギャップ及び歪量を、独立に設定できるため本発明の半導体光増幅器が有する光学利得の波長域及び利得帯域などの設計の自由度が拡大できる。   With this configuration, the band gap and the amount of strain of each of the plurality of quantum level control layers and the main quantum well layer can be set independently, so that the wavelength range and gain band of the optical gain of the semiconductor optical amplifier of the present invention can be designed. The degree of freedom can be expanded.

また、この構成では複合量子井戸層内で伝導帯及び価電子帯ポテンシャルの形状を対称形状にできるため、電子−重いホール間の包絡波動関数の重なり積分値、及び、電子−軽いホール間の包絡波動関数の重なり積分値が向上するので、再結合効率を増大させることができ、さらなる光学利得の向上を実現することができる。   In addition, in this configuration, the conduction band and valence band potential can be made symmetric in the composite quantum well layer, so that the overlap integral value of the envelope wave function between the electron and heavy holes and the envelope between the electron and light holes can be obtained. Since the overlap integral value of the wave function is improved, recombination efficiency can be increased, and further improvement in optical gain can be realized.

また、本発明の請求項4の半導体光増幅器では、前記複合量子井戸層の前記複数の半導体層は、複数の前記量子準位制御層と、少なくとも1層以上の前記主量子井戸層とからなり、前記障壁層と複数の当該量子準位制御層の間に、少なくとも1層以上の当該主量子井戸層を配置するように積層された構成を有している。   In the semiconductor optical amplifier according to claim 4 of the present invention, the plurality of semiconductor layers of the composite quantum well layer include a plurality of quantum level control layers and at least one or more main quantum well layers. In addition, at least one main quantum well layer is stacked between the barrier layer and the plurality of quantum level control layers.

また、本発明の請求項5の半導体光増幅器では、前記主量子井戸層が前記基板に対して圧縮歪を有する構成を有している。   In the semiconductor optical amplifier according to claim 5 of the present invention, the main quantum well layer has a configuration having compressive strain with respect to the substrate.

この構成では、量子準位制御層に印加する伸張歪量を大きくすることにより、電子、軽いホール、及び重いホールに関して所望の量子準位を形成することができる。   In this configuration, a desired quantum level can be formed for electrons, light holes, and heavy holes by increasing the amount of tensile strain applied to the quantum level control layer.

即ち、圧縮歪を有する主量子井戸層が重いホールの量子準位エネルギーを上昇させ、かつ軽いホールの量子準位を低下させる。一方、伸張歪を有する量子準位制御層は、重いホールの量子準位エネルギーを低下させ、かつ軽いホールの量子準位を上昇させる。また、量子井戸ポテンシャルによるホールの閉じ込め効果が原因となり、重いホールに比較して軽いホールの量子準位が大きく低下するので、量子準位制御層に印加する伸張歪を大きくすることにより、重いホール及び軽いホールの基底量子準位を所望の間隔まで接近させることができる。このような量子準位を有する活性層により偏波無依存動作SOAを実現できる。   That is, the main quantum well layer having compressive strain increases the quantum level energy of heavy holes and decreases the quantum level of light holes. On the other hand, a quantum level control layer having an extensional strain lowers the quantum level energy of heavy holes and increases the quantum level of light holes. In addition, because of the confinement effect of holes due to the quantum well potential, the quantum level of light holes is greatly reduced compared to heavy holes. By increasing the tensile strain applied to the quantum level control layer, And the ground quantum level of light holes can be brought close to the desired spacing. A polarization independent operation SOA can be realized by an active layer having such quantum levels.

また、本発明の請求項6の半導体光増幅器では、前記主量子井戸層が前記基板に対して無歪である構成を有している。   The semiconductor optical amplifier according to claim 6 of the present invention has a configuration in which the main quantum well layer is unstrained with respect to the substrate.

この構成では、伸張歪を有する量子準位制御層の層厚を臨界膜厚以下とすることで、量子準位制御層の伸張歪量の絶対値を1%未満に設定することができる。これにより、複合量子井戸を構成する各層の界面における応力を低減できるので結晶欠陥の発生を抑えて、電子、軽いホール、及び重いホールに関して所望の量子準位を形成することができる。   In this configuration, the absolute value of the amount of extension strain of the quantum level control layer can be set to less than 1% by setting the layer thickness of the quantum level control layer having extension strain to the critical thickness or less. Thereby, since stress at the interface of each layer constituting the composite quantum well can be reduced, generation of crystal defects can be suppressed, and desired quantum levels can be formed with respect to electrons, light holes, and heavy holes.

また、本発明の請求項7の半導体光増幅器では、前記主量子井戸層が前記基板に対して伸張歪を有する構成を有している。   The semiconductor optical amplifier according to claim 7 of the present invention has a configuration in which the main quantum well layer has a tensile strain with respect to the substrate.

この構成では、量子準位制御層に圧縮歪を印加することにより、電子、軽いホール、及び重いホールに関して所望の量子準位を形成することができる。   In this configuration, a desired quantum level can be formed with respect to electrons, light holes, and heavy holes by applying compressive strain to the quantum level control layer.

即ち、伸張歪を有する主量子井戸層が軽いホールの量子準位エネルギーを上昇させ、かつ重いホールの量子準位を低下させる。一方、圧縮歪を有する量子準位制御層は、軽いホールの量子準位エネルギーを低下させ、かつ重いホールの量子準位を上昇させる。また、量子井戸ポテンシャルによるホールの閉じ込め効果は、重いホールに比較して軽いホールの量子準位が大きく低下するので、量子準位制御層に比較的小さな圧縮歪を印加することにより、重いホール及び軽いホールの基底量子準位を所望の間隔まで接近させることができる。このような量子準位を有する活性層により偏波無依存動作SOAを実現できる。   That is, the main quantum well layer having an extension strain increases the quantum level energy of light holes and decreases the quantum level of heavy holes. On the other hand, a quantum level control layer having compressive strain decreases the quantum level energy of light holes and increases the quantum level of heavy holes. In addition, the effect of confining holes by the quantum well potential is that the quantum level of light holes is significantly lower than that of heavy holes. Therefore, by applying a relatively small compressive strain to the quantum level control layer, The ground quantum level of a light hole can be brought close to a desired interval. A polarization independent operation SOA can be realized by an active layer having such quantum levels.

また、本発明の請求項8の半導体光増幅器では、前記量子準位制御層が前記基板に対して伸張歪を有する構成を有している。   The semiconductor optical amplifier according to claim 8 of the present invention has a configuration in which the quantum level control layer has a tensile strain with respect to the substrate.

この構成では、量子準位制御層に主量子井戸層とは異なる伸張歪を印加することにより、電子、軽いホール、及び重いホールに関して所望の量子準位を形成することができる。   In this configuration, a desired quantum level can be formed with respect to electrons, light holes, and heavy holes by applying an extension strain different from that of the main quantum well layer to the quantum level control layer.

即ち、伸張歪を有する主量子井戸層が軽いホールの量子準位エネルギーを上昇させ、かつ重いホールの量子準位を低下させる。一方、伸張歪を有する量子準位制御層も、軽いホールの量子準位を上昇させ、かつ重いホールの量子準位エネルギーを低下させる。また、障壁層と主量子井戸層及び量子準位制御層のポテンシャルによるホールの閉じ込め効果が原因となり、重いホールに比較して軽いホールの量子準位が大きく低下するので、主量子井戸層及び量子準位制御層に印加する伸張歪を適宜設定することにより、重いホール及び軽いホールの基底量子準位を所望の間隔まで接近させることができる。このような量子準位を有する活性層により偏波無依存動作SOAを実現できる。   That is, the main quantum well layer having an extension strain increases the quantum level energy of light holes and decreases the quantum level of heavy holes. On the other hand, the quantum level control layer having an extension strain also raises the quantum level of light holes and lowers the quantum level energy of heavy holes. In addition, because of the confinement effect of holes due to the potential of the barrier layer, the main quantum well layer, and the quantum level control layer, the quantum level of light holes is significantly lower than that of heavy holes. By appropriately setting the extension strain applied to the level control layer, the base quantum levels of heavy holes and light holes can be brought close to a desired interval. A polarization independent operation SOA can be realized by an active layer having such quantum levels.

また、このような層構成により、例えば、請求項6に述べた構成と比較して量子準位制御層の伸張歪を低減できるため、複合量子井戸層の平均歪量を抑圧できる。これにより、複合量子井戸層を有する活性層の結晶性を向上することができる。   Also, with such a layer configuration, for example, the strain distortion of the quantum level control layer can be reduced as compared with the configuration described in claim 6, so that the average strain amount of the composite quantum well layer can be suppressed. Thereby, the crystallinity of the active layer having the composite quantum well layer can be improved.

また、本発明の請求項9の半導体光増幅器では、前記複合量子井戸層がIII−V族混晶であるInGaAsPからなる構成を有している。   In the semiconductor optical amplifier according to claim 9 of the present invention, the composite quantum well layer is made of InGaAsP which is a III-V group mixed crystal.

この構成により、InGaAsP混晶の組成を調整することで軽いホール帯端及び、重いホール帯端を光通信波長帯において半導体光増幅器として所望のエネルギーレベルへシフトさせたポテンシャル構造を形成することができる。   With this configuration, by adjusting the composition of the InGaAsP mixed crystal, it is possible to form a potential structure in which the light hole band edge and the heavy hole band edge are shifted to a desired energy level as a semiconductor optical amplifier in the optical communication wavelength band. .

本発明は、複合量子井戸層構造を構成する複数の半導体層のうちの少なくとも1層に伸張歪が印加されることにより、光通信を行う波長帯において、広い利得帯域に亘って偏波無依存の光増幅が可能な半導体光増幅器を提供するものである。   In the present invention, a tensile strain is applied to at least one of a plurality of semiconductor layers constituting a composite quantum well layer structure, so that polarization is independent over a wide gain band in a wavelength band for optical communication. A semiconductor optical amplifier capable of optical amplification is provided.

本発明の実施形態としての半導体光増幅器の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the semiconductor optical amplifier as embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態としての半導体光増幅器の要部の構成を示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view showing the composition of the principal part of the semiconductor optical amplifier as a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態としての半導体光増幅器のバンド構造の一例を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing an example of a band structure of a semiconductor optical amplifier as a first embodiment of the present invention. 図3のバンド構造の伝導帯側を拡大して示す模式図である。It is a schematic diagram which expands and shows the conduction band side of the band structure of FIG. 図3のバンド構造の価電子帯側を拡大して示す模式図である。It is a schematic diagram which expands and shows the valence band side of the band structure of FIG. 本発明の第2〜第5の実施形態としての半導体光増幅器の要部の構成を示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view which shows the structure of the principal part of the semiconductor optical amplifier as 2nd-5th embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態としての半導体光増幅器のバンド構造の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the band structure of the semiconductor optical amplifier as the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態としての半導体光増幅器のバンド構造の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the band structure of the semiconductor optical amplifier as the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態としての半導体光増幅器のバンド構造の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the band structure of the semiconductor optical amplifier as the 4th Embodiment of this invention. 本発明の半導体光増幅器の構造条件を示す図である。It is a figure which shows the structural conditions of the semiconductor optical amplifier of this invention. 本発明の第5の実施形態としての半導体光増幅器のバンド構造の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the band structure of the semiconductor optical amplifier as the 5th Embodiment of this invention. 本発明の半導体光増幅器の駆動電流に対する光学利得特性の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the optical gain characteristic with respect to the drive current of the semiconductor optical amplifier of this invention. 本発明の半導体光増幅器における歪補償構造の構造例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structural example of the distortion compensation structure in the semiconductor optical amplifier of this invention. 量子井戸構造の伝導帯の電子に対する実効的なヘテロ障壁と伸張歪の関係を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the relationship between the effective hetero barrier with respect to the electron of the conduction band of a quantum well structure, and an extension strain.

以下、本発明に係る半導体光増幅器(SOA)の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、各図面上の各構成の寸法比は、実際の寸法比と必ずしも一致していない。また、図3〜5,7〜9,11に示すバンド構造図において、伝導帯端(E)を太い実線で表し、価電子帯側の重いホール帯端(Ehh)及び軽いホール帯端(Elh)を、それぞれ太い実線及び太い破線で表す。 Hereinafter, embodiments of a semiconductor optical amplifier (SOA) according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the dimensional ratio of each structure on each drawing does not necessarily correspond with the actual dimensional ratio. In addition, in the band structure diagrams shown in FIGS. 3 to 5, 7 to 9 and 11, the conduction band edge (E c ) is represented by a thick solid line, and the heavy hole band edge (E hh ) and the light hole band edge on the valence band side. (E lh ) is represented by a thick solid line and a thick broken line, respectively.

(第1の実施形態)
まず、本発明の第1の実施形態としてのSOA1の構成について説明する。図1はSOA1の構成を示す斜視図であり、図2はSOA1の要部の構造を示す拡大断面図である。
(First embodiment)
First, the configuration of the SOA 1 as the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of the SOA 1, and FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing the structure of the main part of the SOA 1.

即ち、図1に示すように、SOA1は、例えば、n型InP(インジウム・リン)からなるn型半導体基板11と、n型半導体基板11の上に形成されるn型InPからなるn型クラッド層12と、n型クラッド層12の上に形成されるInGaAsP(インジウム・ガリウム・砒素・リン)からなる光分離閉じ込め(SCH:Separate Confinement Heterostructure)層13と、SCH層13の上に形成されるInGaAsPからなる活性層14と、活性層14の上に形成されるInGaAsPからなるSCH層15と、SCH層15の上に形成されるp型InPからなるp型クラッド層18と、を備える。また、半導体基板11をp型InPとする構成では、n型クラッド層12をp型InPに置き換え、p型クラッド層18をn型InPに置き換えれば良い。   That is, as shown in FIG. 1, the SOA 1 includes, for example, an n-type semiconductor substrate 11 made of n-type InP (indium phosphorus) and an n-type cladding made of n-type InP formed on the n-type semiconductor substrate 11. A layer 12, an optical separation and confinement (SCH) layer 13 made of InGaAsP (indium, gallium, arsenic, phosphorus) formed on the n-type cladding layer 12, and the SCH layer 13. An active layer 14 made of InGaAsP, an SCH layer 15 made of InGaAsP formed on the active layer 14, and a p-type cladding layer 18 made of p-type InP formed on the SCH layer 15 are provided. In the configuration in which the semiconductor substrate 11 is p-type InP, the n-type cladding layer 12 may be replaced with p-type InP, and the p-type cladding layer 18 may be replaced with n-type InP.

なお、n型クラッド層12、SCH層13、活性層14、及びSCH層15、及びp型クラッド層18はメサ型の光導波路を構成しており、このメサ型の光導波路の両側方にp型InPからなる下部埋め込み層16及びn型InPからなる上部埋め込み層17が形成されている。   Note that the n-type cladding layer 12, the SCH layer 13, the active layer 14, the SCH layer 15, and the p-type cladding layer 18 constitute a mesa optical waveguide, and p is formed on both sides of the mesa optical waveguide. A lower buried layer 16 made of type InP and an upper buried layer 17 made of n type InP are formed.

また、このメサ型光導波路を基本横モード光が伝搬する方向を導波路の主軸方向とすると、SOA端面からメサ型光導波路に帰還する光を低減する目的で、前記端面の法線方向に対して前記主軸の方向を傾けたメサ型光導波路構成や、前記端面近傍でメサ型光導波路に水平面内において光導波損失が十分小さくなる程度の曲率半径を与え、前記端面に導波光が斜めに入射する構成としても良い。   Further, when the direction in which the fundamental transverse mode light propagates in the mesa optical waveguide is the main axis direction of the waveguide, the normal direction of the end face is reduced with the purpose of reducing the light returning from the SOA end face to the mesa optical waveguide. The mesa-type optical waveguide configuration in which the direction of the main axis is tilted, or the mesa-type optical waveguide in the vicinity of the end face is given a radius of curvature so that the optical waveguide loss is sufficiently small in the horizontal plane, and the guided light is incident on the end face obliquely. It is good also as composition to do.

p型InPからなるp型クラッド層18はSCH層15の上側及び上部埋め込み層17の上面に形成されており、このp型クラッド層18の上面には、p型InGaAsPからなるp型コンタクト層19が形成されている。さらに、このp型コンタクト層19の上面には、p型金属電極20が設けられている。また、n型半導体基板11の下面にはn型金属電極21が設けられている。   A p-type cladding layer 18 made of p-type InP is formed on the upper side of the SCH layer 15 and on the upper surface of the upper buried layer 17. A p-type contact layer 19 made of p-type InGaAsP is formed on the upper surface of the p-type cladding layer 18. Is formed. Further, a p-type metal electrode 20 is provided on the upper surface of the p-type contact layer 19. An n-type metal electrode 21 is provided on the lower surface of the n-type semiconductor substrate 11.

また、SOA1の劈開によって形成された光入射端面及び光出射端面には、それぞれ反射防止膜(図示せず)が施されている。   Further, an antireflection film (not shown) is applied to each of the light incident end face and the light exit end face formed by cleaving the SOA 1.

活性層14は、図2の拡大断面図に示すように、複数の半導体層からなる複合量子井戸層141と障壁層142とが繰返し交互に積層された多重量子井戸(MQW:Multiple Quantum Well)構造を有する。あるいは、活性層14は、2つの障壁層142の間に1つの複合量子井戸層141が挟まれた単一量子井戸(SQW:Single Quantum Well)構造を有するものであっても良い。また、活性層14は、障壁層142を介さず、複合量子井戸層141を直接にSCH層13及びSCH層15で挟むSQW構造を有するものであっても良い。   As shown in the enlarged sectional view of FIG. 2, the active layer 14 has a multiple quantum well (MQW) structure in which a composite quantum well layer 141 and a barrier layer 142 made of a plurality of semiconductor layers are repeatedly and alternately stacked. Have Alternatively, the active layer 14 may have a single quantum well (SQW) structure in which one composite quantum well layer 141 is sandwiched between two barrier layers 142. In addition, the active layer 14 may have an SQW structure in which the composite quantum well layer 141 is directly sandwiched between the SCH layer 13 and the SCH layer 15 without using the barrier layer 142.

複合量子井戸層141は、n型半導体基板11に対して伸張歪を有する量子準位制御層(歪印加層)143と、バンドギャップが量子準位制御層143よりも小さい主量子井戸層144と、を含む。   The composite quantum well layer 141 includes a quantum level control layer (strain application layer) 143 that has an extensional strain with respect to the n-type semiconductor substrate 11, and a main quantum well layer 144 that has a smaller band gap than the quantum level control layer 143. ,including.

また、障壁層142は、量子準位制御層143及び主量子井戸層144よりも大きなバンドギャップを有している。なお、バンドギャップとは、特に指定しない限り伝導帯端と価電子帯端とのエネルギー差のうち最も小さいエネルギー差である。   The barrier layer 142 has a larger band gap than the quantum level control layer 143 and the main quantum well layer 144. The band gap is the smallest energy difference among the energy differences between the conduction band edge and the valence band edge unless otherwise specified.

2層の障壁層142の間には、複合量子井戸層141を構成する量子準位制御層143と主量子井戸層144とが隣接して積層された対が1つ配置される。主量子井戸層144はn型半導体基板11に対して無歪またはほぼ無歪である。あるいは、主量子井戸層144は、n型半導体基板11に対して伸張歪または圧縮歪を有していても良い。   Between the two barrier layers 142, one pair in which the quantum level control layer 143 and the main quantum well layer 144 constituting the composite quantum well layer 141 are stacked adjacent to each other is disposed. The main quantum well layer 144 is unstrained or nearly unstrained with respect to the n-type semiconductor substrate 11. Alternatively, the main quantum well layer 144 may have an extension strain or a compression strain with respect to the n-type semiconductor substrate 11.

図2に示すように、n型クラッド層12側から、障壁層142、主量子井戸層144、量子準位制御層143、障壁層142の順に層が積層されている。あるいは、n型クラッド層12側から、障壁層142、量子準位制御層143、主量子井戸層144、障壁層142の順に層が積層されていても良い。   As illustrated in FIG. 2, the barrier layer 142, the main quantum well layer 144, the quantum level control layer 143, and the barrier layer 142 are stacked in this order from the n-type cladding layer 12 side. Alternatively, the layers may be stacked in the order of the barrier layer 142, the quantum level control layer 143, the main quantum well layer 144, and the barrier layer 142 from the n-type cladding layer 12 side.

また、InGaAsPからなるSCH層13は、そのバンドギャップがn型クラッド層12と障壁層142の間の範囲にある。同様に、SCH層15のバンドギャップは、p型クラッド層18と障壁層142の間の範囲にある。   Further, the SCH layer 13 made of InGaAsP has a band gap in the range between the n-type cladding layer 12 and the barrier layer 142. Similarly, the band gap of the SCH layer 15 is in the range between the p-type cladding layer 18 and the barrier layer 142.

上記のように構成されたSOA1においては、p型金属電極20とn型金属電極21との間に順方向に駆動電流が注入された状態で入射光が活性層14を伝搬すると、複合量子井戸層141の電子と軽いホールとの再結合による誘導放出により、主にTMモードの光学利得が得られる。同時に、複合量子井戸層141の電子と重いホールとの再結合による誘導放出により、主にTEモードの光学利得が得られる。   In the SOA 1 configured as described above, when incident light propagates through the active layer 14 with a drive current injected between the p-type metal electrode 20 and the n-type metal electrode 21 in the forward direction, the composite quantum well The TM mode optical gain is mainly obtained by stimulated emission by recombination of electrons and light holes in the layer 141. At the same time, the TE mode optical gain is mainly obtained by stimulated emission by recombination of electrons and heavy holes in the composite quantum well layer 141.

図3は、SOA1のバンド構造の要部を模式的に示す図である。なお、図3では、上方が電子に対するエネルギーが高くなるようにバンド構造が示されている。   FIG. 3 is a diagram schematically showing the main part of the band structure of SOA1. In FIG. 3, the band structure is shown so that the upper part has higher energy for electrons.

図3は、量子準位制御層143の層厚が主量子井戸層144の層厚よりも大きく設計されたバンド構造の例を示している。量子準位制御層143では伸張歪により価電子帯の軽いホール帯端Elhと重いホール帯端Ehhの縮退が解けている。また、主量子井戸層144は無歪であるため、主量子井戸層144においては軽いホール帯端Elhと重いホール帯端Ehhは縮退している。 FIG. 3 shows an example of a band structure in which the quantum level control layer 143 is designed to have a layer thickness larger than that of the main quantum well layer 144. In the quantum level control layer 143, the degeneration of the light hole band edge E lh and the heavy hole band edge E hh of the valence band is solved by the extension strain. Further, since the main quantum well layer 144 is unstrained , the light hole band edge E lh and the heavy hole band edge E hh are degenerated in the main quantum well layer 144.

具体的には、量子準位制御層143の軽いホール帯端Elhが主量子井戸層144の価電子帯端Eよりも高エネルギー側にシフトするとともに、量子準位制御層143の重いホール帯端Ehhが主量子井戸層144の価電子帯端Eよりも低エネルギー側にシフトする。また、主量子井戸層144は量子準位制御層143よりバンドギャップが小さいため、量子準位制御層143における伝導帯端Eが主量子井戸層144の伝導帯端Eよりも高エネルギー側に存在する。 More specifically, the light hole band edge E lh quantum level control layer 143 is shifted to the higher energy side than the valence band edge E V of primary quantum well layer 144, heavy quantum level control layer 143 hole band end E hh is shifted to the low energy side than the valence band edge E V of primary quantum well layer 144. The main reason the quantum well layer 144 has a small band gap than the quantum level control layer 143, a quantum level higher energy side than the conduction band edge E C of the control layer 143 the conduction band edge E C is primary quantum well layer 144 in Exists.

上記の構成により、軽いホールは複合量子井戸層141全体に広がるので、軽いホールの基底量子準位のエネルギーは大きくなる。一方、重いホールは主量子井戸層144の近傍に局在する傾向となるため、重いホールの基底量子準位のエネルギーは低下する。   With the above configuration, light holes spread throughout the composite quantum well layer 141, so that the energy of the ground quantum level of the light holes is increased. On the other hand, since heavy holes tend to localize in the vicinity of the main quantum well layer 144, the energy of the ground quantum level of the heavy holes decreases.

さらに、軽いホール帯端Elhが重いホール帯端Ehhよりも高エネルギー側に位置しているため、軽いホールの基底量子準位が高エネルギー側にシフトして重いホールの基底量子準位に近づく。つまり、伸張歪を有する量子準位制御層143は、複合量子井戸層141内の軽いホールの基底量子準位を重いホールの基底量子準位に近づけるように制御していると言える。この結果、TEモードの光学利得とTMモードの光学利得を一致させて、偏波無依存を実現することができる。 Furthermore, since the light hole band edge E lh is located on the higher energy side than the heavy hole band edge E hh , the ground quantum level of the light hole shifts to the high energy side and becomes the ground quantum level of the heavy hole. Get closer. That is, it can be said that the quantum level control layer 143 having an extensional strain is controlled so that the base quantum level of light holes in the composite quantum well layer 141 is close to the base quantum level of heavy holes. As a result, the TE mode optical gain and the TM mode optical gain can be matched to achieve polarization independence.

このような構成は、歪量子井戸構造が作製可能な例えば、InP/AlGaInAs,GaAs/InGaAsP,GaAs/AlGaInPに適用することができる。   Such a configuration can be applied to, for example, InP / AlGaInAs, GaAs / InGaAsP, and GaAs / AlGaInP, which can produce a strained quantum well structure.

特に、図3の例で顕著であるが、電子に対するポテンシャルと重いホールに対するポテンシャルの形状は複合量子井戸層141内で非対称であるため、電子及び重いホールの存在確率密度分布は複合量子井戸層141の中心から偏っている。ここで、電子(またはホール)の存在確率密度分布とは、電子(またはホール)の波動関数ψ(x)の絶対値の2乗|ψ(x)|に相当するものである。 In particular, as is remarkable in the example of FIG. 3, since the shape of the potential for electrons and the potential for heavy holes is asymmetric in the composite quantum well layer 141, the existence probability density distribution of electrons and heavy holes is the composite quantum well layer 141. Biased from the center of Here, the existence probability density distribution of electrons (or holes) corresponds to the square of the absolute value of the wave function ψ (x) of electrons (or holes) | ψ (x) | 2 .

一方、軽いホールに対するポテンシャルは、その矩形形状の幅が主量子井戸層144の層厚よりも十分に大きな量子準位制御層143の層厚で規定されるため、軽いホールの存在確率密度分布は複合量子井戸層141内でほぼ対称な分布となる。   On the other hand, the potential for light holes is defined by the layer thickness of the quantum level control layer 143 whose rectangular width is sufficiently larger than the layer thickness of the main quantum well layer 144. The distribution is almost symmetric in the composite quantum well layer 141.

このようなポテンシャル設計により、重いホール及び軽いホールの基底量子準位を十分接近させることができる。また、TEモードの光学利得が主である電子−重いホール間の再結合率よりも、TMモードの光学利得が主である電子−軽いホール間の再結合率が大きくなる。   By such potential design, the ground quantum levels of heavy holes and light holes can be brought close enough. In addition, the recombination rate between electrons and light holes whose main optical gain is in the TM mode is larger than the recombination rate between electrons and heavy holes whose main optical gain is in the TE mode.

先にも述べたように、一般的なスラブ型の量子井戸活性層は水平方向に広いためTEモードの光閉じ込め係数がTMモードの同係数に比較してより大きくなるが、上記のポテンシャル設計により、TEモードの光学利得が相対的に大きくなる問題を軽減することも期待できる。これにより、光学利得の偏波無依存化の実現が容易になる。   As described above, since the general slab type quantum well active layer is wide in the horizontal direction, the optical confinement coefficient in the TE mode is larger than that in the TM mode. It can also be expected that the problem of the TE mode optical gain becoming relatively large can be reduced. This facilitates the realization of optical gain polarization independence.

また、図3に示したバンド構造について、複合量子井戸層141の一部を構成する主量子井戸層144は、量子準位制御層143よりも伸張歪量が小さいため、井戸層全体に均一な伸張歪が印加された従来の構成と比較して、複合量子井戸層141の伝導帯における電子の基底量子準位が低く抑えられる。この結果、複合量子井戸層141の電子の基底量子準位と障壁層142の伝導帯端とのエネルギー差であるヘテロ障壁高さΔEが大幅に減少することを回避でき、複合量子井戸層141から障壁層142への電子のオーバーフローを抑制することができる。   Further, in the band structure shown in FIG. 3, the main quantum well layer 144 that constitutes a part of the composite quantum well layer 141 has a smaller amount of tensile strain than the quantum level control layer 143, so that it is uniform over the entire well layer. Compared to the conventional configuration in which an extension strain is applied, the ground quantum level of electrons in the conduction band of the composite quantum well layer 141 can be suppressed to a low level. As a result, it is possible to avoid that the hetero barrier height ΔE, which is the energy difference between the electron ground quantum level of the composite quantum well layer 141 and the conduction band edge of the barrier layer 142, is significantly reduced. Electron overflow to the barrier layer 142 can be suppressed.

図4は、図3のバンド構造の伝導帯側を拡大して示す図である。以下では、非特許文献1に掲載されているInGaAsP井戸層に均一な伸張歪が印加された従来の構成における活性層の実効的なヘテロ障壁高さΔE'と、本実施形態の構成であるSOA1における活性層14の実効的なヘテロ障壁高さΔEをシミュレーションにより比較した結果を説明する。   4 is an enlarged view showing the conduction band side of the band structure of FIG. In the following, the effective heterobarrier height ΔE ′ of the active layer in the conventional configuration in which a uniform extension strain is applied to the InGaAsP well layer described in Non-Patent Document 1, and the SOA 1 that is the configuration of the present embodiment. The result of comparing the effective hetero barrier height ΔE of the active layer 14 in FIG.

シミュレーションの結果、非特許文献1に示されているInGaAsP/InP系よりなる従来の構成におけるヘテロ障壁高さΔE'が30.8meVとなったのに対し、本実施形態のSOA1におけるヘテロ障壁高さΔEは53.6meVとなり、本実施形態のSOA1では電子のオーバーフローを防止する効果が高いことが確認できた。   As a result of the simulation, the hetero barrier height ΔE ′ in the conventional configuration composed of the InGaAsP / InP system shown in Non-Patent Document 1 is 30.8 meV, whereas the hetero barrier height in the SOA 1 of the present embodiment. ΔE was 53.6 meV, and it was confirmed that the SOA 1 of this embodiment has a high effect of preventing the overflow of electrons.

図5は、図3のバンド構造の価電子帯側を拡大して示す図である。図5に示したバンド構造においては、軽いホール帯端Elhが凸型形状となっている。このようなポテンシャル設計により、重いホールの基底量子準位と軽いホールの基底量子準位との基底準位差をバンド内緩和のエネルギー幅(約6.6meV)よりも狭くすることができ、これら2つの基底量子準位を信号光の偏波無依存増幅が実現できるレベルまで近づけることが可能となる。 FIG. 5 is an enlarged view showing the valence band side of the band structure of FIG. In the band structure shown in FIG. 5, the light hole band edge E lh has a convex shape. By such potential design, the ground level difference between the ground quantum level of heavy holes and the ground quantum level of light holes can be made narrower than the energy width of in-band relaxation (about 6.6 meV). It becomes possible to bring the two ground quantum levels close to a level at which polarization-independent amplification of signal light can be realized.

以下、本発明に係るSOA1の製造方法の一例を説明する。
まず、有機金属気相成長(MOVPE)法を用いてn型InPからなるn型半導体基板11上に、n型InPからなるn型クラッド層12、これに引き続きInGaAsPからなるSCH層13をエピタキシャル成長する。なお、このSCH層13のバンドギャップはn型クラッド層12と障壁層142の間の範囲にある。
Hereinafter, an example of the manufacturing method of SOA1 which concerns on this invention is demonstrated.
First, an n-type cladding layer 12 made of n-type InP and an SCH layer 13 made of InGaAsP are epitaxially grown on an n-type semiconductor substrate 11 made of n-type InP using a metal organic chemical vapor deposition (MOVPE) method. . The band gap of the SCH layer 13 is in the range between the n-type cladding layer 12 and the barrier layer 142.

次に、SCH層13の上に、InGaAsPからなる障壁層142、n型半導体基板11に対して無歪またはほぼ無歪のInGaAsPからなる主量子井戸層144、n型半導体基板11に対して伸張歪を有するInGaAsPからなる量子準位制御層143、及びInGaAsPからなる障壁層142がこの順に積層されてなるMQW構造またはSQW構造の活性層14を形成する。なお、主量子井戸層144の歪量に関しては、本発明の半導体光増幅器に要求される利得波長帯域などにより、既に述べたようにn型半導体基板11に対して無歪ばかりではなく圧縮歪や伸張歪を設定することもできる。   Next, on the SCH layer 13, a barrier layer 142 made of InGaAsP, a main quantum well layer 144 made of InGaAsP that is unstrained or nearly unstrained with respect to the n-type semiconductor substrate 11, and stretched with respect to the n-type semiconductor substrate 11. The MQW structure or SQW structure active layer 14 is formed by stacking the strained quantum level control layer 143 made of InGaAsP and the barrier layer 142 made of InGaAsP in this order. Note that the distortion amount of the main quantum well layer 144 is not limited to the distortion of the n-type semiconductor substrate 11 as described above due to the gain wavelength band required for the semiconductor optical amplifier of the present invention. An extension strain can also be set.

このようにして形成された活性層14の上に、バンドギャップがp型クラッド層18と障壁層142の間の範囲にあるSCH層15を形成する。   On the active layer 14 thus formed, the SCH layer 15 having a band gap in the range between the p-type cladding layer 18 and the barrier layer 142 is formed.

次に、SCH層15の上に、p型InPからなるp型クラッド層18の下層部を成長形成する。さらに、プラズマCVD法を用いてSiNx膜またはSiO2膜からなる絶縁膜をp型クラッド層18の下層部の上面に積層した後、レジストを塗布し、フォトリソグラフィによってストライプ状のマスクパターンを露光して現像する。 Next, a lower layer portion of a p-type cladding layer 18 made of p-type InP is grown on the SCH layer 15. Further, an insulating film made of SiN x film or SiO 2 film is laminated on the upper surface of the lower layer portion of the p-type cladding layer 18 by using a plasma CVD method, a resist is applied, and a striped mask pattern is exposed by photolithography. And develop.

このストライプ状のマスクパターンを用いて、絶縁膜の両側をフッ酸によるエッチングで除去する。続いて残ったレジストを剥離除去して、ストライプ状のマスクパターンの形状が転写された絶縁膜のエッチングマスクを形成する。   Using this striped mask pattern, both sides of the insulating film are removed by etching with hydrofluoric acid. Subsequently, the remaining resist is peeled and removed to form an insulating film etching mask to which the shape of the stripe-shaped mask pattern is transferred.

そして、上記により設定された絶縁膜のエッチングマスクと、塩酸、過酸化水素水、及び水の混合液からなるエッチング液を用いて、p型クラッド層18の下層部、SCH層15、活性層14、SCH層13、n型クラッド層12をウェットエッチングして、メサストライプを形成する。   Then, using the etching mask for the insulating film set as described above and an etchant composed of a mixture of hydrochloric acid, hydrogen peroxide solution, and water, the lower layer portion of the p-type cladding layer 18, the SCH layer 15, the active layer 14 The SCH layer 13 and the n-type cladding layer 12 are wet-etched to form mesa stripes.

次に、ウェットエッチングで除去された部分にMOVPE法を用い、絶縁膜のエッチングマスクを成長阻害マスクとして利用して、p型InPからなる下部埋め込み層16及びn型InPからなる上部埋め込み層17を順次積層して埋め込む。   Next, the MOVPE method is used for the portion removed by the wet etching, and the lower buried layer 16 made of p-type InP and the upper buried layer 17 made of n-type InP are formed using the insulating film etching mask as a growth inhibition mask. Sequentially stack and embed.

次に、絶縁膜のエッチングマスクをフッ酸で除去して、メサストライプの上面を表出し、p型クラッド層18の下層部と組成の等しいp型InPからなる埋め込み層を積層してp型クラッド層18を完成し、その上部にp型InGaAsPからなるp型コンタクト層19をMOVPE法によって積層する。   Next, the etching mask of the insulating film is removed with hydrofluoric acid, the upper surface of the mesa stripe is exposed, and a buried layer made of p-type InP having the same composition as the lower layer portion of the p-type cladding layer 18 is laminated to form a p-type cladding. The layer 18 is completed, and a p-type contact layer 19 made of p-type InGaAsP is stacked thereon by the MOVPE method.

そして、p型コンタクト層19上にp型金属電極20を、n型半導体基板11の底面にn型金属電極21を蒸着法で形成して、アロイ、メッキ工程を行い、半導体ウエハを完成する。   Then, a p-type metal electrode 20 is formed on the p-type contact layer 19 and an n-type metal electrode 21 is formed on the bottom surface of the n-type semiconductor substrate 11 by vapor deposition, and an alloy and plating process is performed to complete a semiconductor wafer.

次に、この半導体ウエハに対して所定位置で劈開やダイシングを行うことにより、個々のチップに分離する。さらに、分離されたチップの光入射端面及び光出射端面に反射防止膜(図示せず)を形成する。これで本実施形態のSOA1が完成する。   Next, the semiconductor wafer is separated into individual chips by cleaving or dicing at a predetermined position. Further, an antireflection film (not shown) is formed on the light incident end face and the light exit end face of the separated chip. Thus, the SOA 1 of the present embodiment is completed.

以上説明したように、本実施形態のSOA1は、重いホールと軽いホールの量子準位を接近させてTEモード及びTMモードの光学利得を一致させ、偏波無依存を実現することができる。   As described above, the SOA 1 according to the present embodiment can realize the polarization independence by bringing the quantum levels of the heavy hole and the light hole close to each other to match the optical gains of the TE mode and the TM mode.

また、本実施形態のSOA1は、伝導帯の電子に関する実効的なヘテロ障壁高さΔEを十分に大きくして、複合量子井戸層141から障壁層142に漏れ出る電子を低減することができる。   In addition, the SOA 1 of the present embodiment can sufficiently increase the effective heterobarrier height ΔE related to the electrons in the conduction band and reduce the electrons leaking from the composite quantum well layer 141 to the barrier layer 142.

これにより、本発明の半導体光増幅器を動作させる際の無効電流を抑圧できる。また、複合量子井戸層141内のキャリア密度を高くできるため、光学利得の向上、光学利得波長帯域の拡大、及び雑音指数(NF:Noise Figure)の低減を実現することができる。   Thereby, the reactive current when operating the semiconductor optical amplifier of the present invention can be suppressed. In addition, since the carrier density in the composite quantum well layer 141 can be increased, it is possible to improve the optical gain, expand the optical gain wavelength band, and reduce the noise figure (NF).

また、本実施形態のSOA1を1310nm波長帯に適用する場合においては、特に障壁層142をn型半導体基板11に対して無歪と設定することにより、障壁層142と複合量子井戸層141とのヘテロ界面の平坦性を十分に保つことが可能となるため、良好な光学利得特性と製造の容易性とを実現することができる。これにより、SOAを光学利得特性の劣化をもたらさずに容易に製造することが可能となる。なお、1310nm帯とは、1280nm〜1340nmの波長を含むものとする。   In addition, when the SOA 1 of the present embodiment is applied to the 1310 nm wavelength band, the barrier layer 142 and the composite quantum well layer 141 are particularly configured by setting the barrier layer 142 to be unstrained with respect to the n-type semiconductor substrate 11. Since the flatness of the hetero interface can be sufficiently maintained, good optical gain characteristics and easy manufacturing can be realized. As a result, the SOA can be easily manufactured without deteriorating the optical gain characteristics. The 1310 nm band includes a wavelength of 1280 nm to 1340 nm.

また、本実施形態のSOA1は、特に主量子井戸層144がn型半導体基板11に対して無歪である場合には、活性層14全体の歪量を抑えて、効果的に複合量子井戸層141内において所望のポテンシャルを形成することができる。   Further, the SOA 1 of the present embodiment effectively suppresses the amount of strain of the entire active layer 14 and effectively combines the quantum well layer when the main quantum well layer 144 is unstrained with respect to the n-type semiconductor substrate 11. A desired potential can be formed in the 141.

以下に述べるように、主量子井戸層144のバンドギャップ波長と層厚を変えながら量子準位制御層143の層厚と歪量の関係についてシミュレーションすることにより、本実施形態のSOA1を作製するための構造条件を調べた。その結果を図10に示す。   In order to fabricate the SOA 1 of the present embodiment by simulating the relationship between the layer thickness of the quantum level control layer 143 and the strain amount while changing the band gap wavelength and the layer thickness of the main quantum well layer 144 as described below. The structural conditions of were investigated. The result is shown in FIG.

図10では、横軸をナノメートル(nm)単位で表した量子準位制御層143の層厚(dQLC)とし、縦軸をパーセント(%)単位で表した量子準位制御層143の歪量(εQLC)としている。 In FIG. 10, the horizontal axis represents the layer thickness (d QLC ) of the quantum level control layer 143 expressed in nanometers (nm), and the vertical axis represents the strain of the quantum level control layer 143 expressed in percent (%) units. The quantity (ε QLC ) is used.

例えば1300nm波長帯に対して本実施形態のSOA1を適用した場合、図10(a)に斜線を施した領域、即ち、以下の(1)式と(2)式で表す直線f1(dQLC)及びf2(dQLC)に挟まれた領域で、かつ、−1.5%≦εQLC<0の条件で、SOA1を作製できることがわかった。
f1(dQLC)=0.24×dQLC−1.9 ・・・・・(1)
f2(dQLC)=0.24×dQLC−2.95 ・・・・・(2)
For example, when the SOA 1 of the present embodiment is applied to the 1300 nm wavelength band, the hatched area in FIG. 10A, that is, the straight line f1 (d QLC ) represented by the following expressions (1) and (2): It was found that SOA1 can be fabricated in a region sandwiched between f2 (d QLC ) and −1.5% ≦ ε QLC <0.
f1 (d QLC ) = 0.24 × d QLC −1.9 (1)
f2 (d QLC ) = 0.24 × d QLC −2.95 (2)

なお、(1)式は利得波長帯の限界線となり、この直線よりεQLCが大きく、かつ負となる領域では、利得波長帯が1300nmからシフトしてしまう。また、(2)式で示す直線よりεQLCが小さく、かつ負となる領域、及び、εQLC<−1.5%である領域では、量子準位制御層143と障壁層142の界面においてヘテロ障壁がType−II型となり、電子の輸送を妨げるバンド構造となってしまう。 Equation (1) is a limit line of the gain wavelength band, and the gain wavelength band shifts from 1300 nm in a region where ε QLC is larger and negative than this straight line. Further, in the region where ε QLC is smaller and negative than the straight line represented by the formula (2) and in the region where ε QLC <−1.5%, heterogeneity is present at the interface between the quantum level control layer 143 and the barrier layer 142. The barrier becomes a Type-II type, resulting in a band structure that hinders electron transport.

また、例えば1500nm波長帯に対して本実施形態のSOA1を適用した場合、図10(b)に斜線を施した領域、即ち、以下の(3)式と(4)式で表す直線f3(dQLC)及びf4(dQLC)に挟まれた領域で、かつ、−1.5%≦εQLC<0の条件で、SOA1を作製できることがわかった。
f3(dQLC)=0.25×dQLC−2.0 ・・・・・(3)
f4(dQLC)=0.2×dQLC−4.0 ・・・・・(4)
For example, when the SOA 1 of the present embodiment is applied to the 1500 nm wavelength band, the hatched area in FIG. 10B, that is, the straight line f3 (d) expressed by the following expressions (3) and (4) QLC) and f4 (in the region sandwiched d QLC), and, under the condition of -1.5% ≦ ε QLC <0, was found to be manufactured SOAl.
f3 ( dQLC ) = 0.25 × dQLC−2.0 (3)
f4 (d QLC ) = 0.2 × d QLC −4.0 (4)

なお、(3)式は量子準位制御層143の混晶組成の限界線となり、この直線よりεQLCが大きく、かつ負となる領域では、量子準位制御層を成長することができない。一方、(4)式で示す直線よりεQLCが小さく、かつ負となる領域では、量子準位制御層143の層厚が臨界膜厚を超えるようになり、良好な結晶成長が困難となる。 Note that equation (3) becomes a limit line of the mixed crystal composition of the quantum level control layer 143, and the quantum level control layer cannot be grown in a region where ε QLC is larger than this line and negative. On the other hand, in the region where ε QLC is smaller and negative than the straight line represented by the equation (4), the layer thickness of the quantum level control layer 143 exceeds the critical film thickness, making it difficult to achieve good crystal growth.

また、εQLC<−1.5%である領域では、量子準位制御層143と障壁層142の界面においてヘテロ障壁がType−II型となり、電子の輸送を妨げるバンド構造となってしまう。 In the region where ε QLC <−1.5%, the heterobarrier becomes a Type-II type at the interface between the quantum level control layer 143 and the barrier layer 142, and a band structure that hinders electron transport is formed.

(第2の実施形態)
続いて、本発明における第2の実施形態としてのSOA2について図面を参照しながら説明する。なお、第1の実施形態と同様の構成及び動作については適宜説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, the SOA 2 as the second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the description of the same configuration and operation as in the first embodiment will be omitted as appropriate.

図6の拡大断面図に示すように、活性層24は、複数の半導体層からなる複合量子井戸層241と障壁層142とが繰返し交互に積層されたMQW構造を有する。あるいは、活性層24は、2つの障壁層142の間に1つの複合量子井戸層241が挟まれたSQW構造を有するものであっても良い。また、活性層24は、障壁層142を介さず、複合量子井戸層241を直接にSCH層13及びSCH層15で挟むSQW構造を有するものであっても良い。   As shown in the enlarged cross-sectional view of FIG. 6, the active layer 24 has an MQW structure in which a composite quantum well layer 241 and a barrier layer 142 made of a plurality of semiconductor layers are alternately and repeatedly stacked. Alternatively, the active layer 24 may have an SQW structure in which one composite quantum well layer 241 is sandwiched between two barrier layers 142. The active layer 24 may have an SQW structure in which the composite quantum well layer 241 is directly sandwiched between the SCH layer 13 and the SCH layer 15 without the barrier layer 142 interposed therebetween.

本実施形態においては、複合量子井戸層241は、複数の量子準位制御層143と、当該複数の量子準位制御層143よりバンドギャップの小さい主量子井戸層144と、を有し、量子準位制御層143と主量子井戸層144とが交互に積層されてなる。ここで、複数の量子準位制御層143は層厚及びバンドギャップが全て等しいものとする。   In the present embodiment, the composite quantum well layer 241 includes a plurality of quantum level control layers 143 and a main quantum well layer 144 having a band gap smaller than that of the plurality of quantum level control layers 143. The potential control layers 143 and the main quantum well layers 144 are alternately stacked. Here, it is assumed that the plurality of quantum level control layers 143 have the same layer thickness and band gap.

以下では、2つの量子準位制御層143の間に1つの主量子井戸層144が挟まれた構造を例に挙げて説明する。   Hereinafter, a structure in which one main quantum well layer 144 is sandwiched between two quantum level control layers 143 will be described as an example.

図7は、SOA2のバンド構造の要部を模式的に示す図である。図7に示す例では、量子準位制御層143において伸張歪により価電子帯の軽いホール帯端Elhと重いホール帯端Ehhの縮退が解け、軽いホール帯端Elhが重いホール帯端Ehhより高エネルギー側にシフトしている。また、主量子井戸層144においては、圧縮歪により軽いホール帯端Elhが重いホール帯端Ehhより低エネルギー側へシフトすることにより価電子帯の縮退が解けている。 FIG. 7 is a diagram schematically showing the main part of the band structure of SOA2. In the example shown in FIG. 7, in the quantum level control layer 143, the degeneration of the light hole band edge E lh and the heavy hole band edge E hh of the valence band is solved by the extension strain, and the light hole band edge E lh is the heavy hole band edge. Ehh shifts to a higher energy side. Further, in the main quantum well layer 144, the degeneracy of the valence band is solved by shifting the light hole band edge E lh to the lower energy side from the heavy hole band edge E hh due to the compressive strain.

具体的には、量子準位制御層143の軽いホール帯端Elhが主量子井戸層144の軽いホール帯端Elhよりも高エネルギー側に存在するとともに、量子準位制御層143の重いホール帯端Ehhが主量子井戸層144の重いホール帯端Ehhよりも低エネルギー側に位置する。 More specifically, the light hole band edge E lh quantum level control layer 143 is present on a higher energy side than the light hole band edge E lh of primary quantum well layer 144, heavy quantum level control layer 143 hole band end E hh is located on the lower energy side than the heavier holes band edge E hh of primary quantum well layer 144.

つまり、複合量子井戸層241内において、伸張歪を有する量子準位制御層143は、圧縮歪を有する主量子井戸層144による軽いホールの基底量子準位の低エネルギー側へのシフト量を相殺して、軽いホールの基底量子準位を重いホールの基底量子準位に近づけるように制御していると言える。   That is, in the composite quantum well layer 241, the quantum level control layer 143 having the extension strain cancels the shift amount of the light hole base quantum level toward the low energy side by the main quantum well layer 144 having the compressive strain. Thus, it can be said that the light is controlled so that the ground quantum level of a light hole approaches that of a heavy hole.

ここで説明したSOA2では、電子、軽いホール、及び重いホールに対するポテンシャルは、いずれも複合量子井戸層241内で対称形状となるため、電子、軽いホール、及び重いホールの存在確率密度分布もいずれも複合量子井戸層241内で対称な分布となる。   In the SOA 2 described here, the potentials for electrons, light holes, and heavy holes all have a symmetrical shape in the composite quantum well layer 241. Therefore, the existence probability density distributions of electrons, light holes, and heavy holes are all present. The distribution is symmetric within the composite quantum well layer 241.

また、第1の実施形態のSOA1と比較して、伸張歪を有する量子準位制御層143の一層当たりの層厚が薄くなるため、更に良好なヘテロ界面を形成できる。   Further, since the layer thickness per layer of the quantum level control layer 143 having the extension strain is reduced as compared with the SOA 1 of the first embodiment, a more favorable heterointerface can be formed.

(第3の実施形態)
図8は、SOA3のバンド構造の要部を模式的に示す図である。図8に示す例では、量子準位制御層143において伸張歪により価電子帯の軽いホール帯端Elhと重いホール帯端Ehhの縮退が解け、軽いホール帯端Elhが重いホール帯端Ehhより高エネルギー側にシフトしている。また、主量子井戸層144は無歪であるため、主量子井戸層144においては軽いホール帯端Elhと重いホール帯端Ehhは縮退している。
(Third embodiment)
FIG. 8 is a diagram schematically showing the main part of the band structure of SOA3. In the example shown in FIG. 8, in the quantum level control layer 143, the degeneration of the light hole band edge E lh and the heavy hole band edge E hh of the valence band is solved by the extension strain, and the light hole band edge E lh is the heavy hole band edge. Ehh shifts to a higher energy side. Further, since the main quantum well layer 144 is unstrained , the light hole band edge E lh and the heavy hole band edge E hh are degenerated in the main quantum well layer 144.

具体的には、量子準位制御層143の軽いホール帯端Elhが主量子井戸層144の価電子帯端Eよりも高エネルギー側にシフトするとともに、量子準位制御層143の重いホール帯端Ehhが主量子井戸層144の価電子帯端Eよりも低エネルギー側にシフトする。 More specifically, the light hole band edge E lh quantum level control layer 143 is shifted to the higher energy side than the valence band edge E V of primary quantum well layer 144, heavy quantum level control layer 143 hole band end E hh is shifted to the low energy side than the valence band edge E V of primary quantum well layer 144.

つまり、伸張歪を有する量子準位制御層143は、複合量子井戸層241内の軽いホールの基底量子準位を重いホールの基底量子準位に近づけるように制御していると言える。   That is, it can be said that the quantum level control layer 143 having an extensional strain is controlled so that the base quantum level of light holes in the composite quantum well layer 241 is close to the base quantum level of heavy holes.

ここで説明したSOA3では、電子、軽いホール、及び重いホールに対するポテンシャルは、いずれも複合量子井戸層241内で対称形状となるため、電子、軽いホール、及び重いホールの存在確率密度分布もいずれも複合量子井戸層241内で対称な分布となる。   In the SOA 3 described here, the potentials for electrons, light holes, and heavy holes all have a symmetrical shape in the composite quantum well layer 241. Therefore, the existence probability density distributions of electrons, light holes, and heavy holes are all present. The distribution is symmetric within the composite quantum well layer 241.

(第4の実施形態)
図9は、SOA4のバンド構造の要部を模式的に示す図である。図9に示す例では、量子準位制御層143において伸張歪により価電子帯の軽いホール帯端Elhと重いホール帯端Ehhの縮退が解け、軽いホール帯端Ehhが重いホール帯端Elhより高エネルギー側にシフトしている。また、主量子井戸層144においても、伸張歪により軽いホール帯端Elhが重いホール帯端Ehhより高エネルギー側へシフトすることにより価電子帯の縮退が解けている。
(Fourth embodiment)
FIG. 9 is a diagram schematically showing the main part of the band structure of SOA4. In the example shown in FIG. 9, in the quantum level control layer 143, the degeneration of the light hole band edge E lh and the heavy hole band edge E hh of the valence band is solved by the extension strain, and the light hole band edge E hh is the heavy hole band edge. Shifted to higher energy side than E lh . Also in the main quantum well layer 144, the degeneracy of the valence band is solved by shifting the light hole band edge E lh to the higher energy side than the heavy hole band edge E hh due to the extension strain.

具体的には、量子準位制御層143の軽いホール帯端Elhが主量子井戸層144の軽いホール帯端Elhよりも高エネルギー側に存在するとともに、量子準位制御層143の重いホール帯端Ehhは主量子井戸層144の重いホール帯端Ehhよりも低エネルギー側に位置する。 More specifically, the light hole band edge E lh quantum level control layer 143 is present on a higher energy side than the light hole band edge E lh of primary quantum well layer 144, heavy quantum level control layer 143 hole than the band edge E hh primarily quantum well layer 144 heavy hole band edge E hh with located on the lower energy side.

つまり、複合量子井戸層241内において、伸張歪を有する主量子井戸層144及び量子準位制御層143は、複合量子井戸層の価電子帯が形成するポテンシャルによる量子サイズ効果のために生じる、軽いホールの基底量子準位が低エネルギー側へシフトする現象を抑制している。   That is, in the composite quantum well layer 241, the main quantum well layer 144 and the quantum level control layer 143 having an extension strain are light due to the quantum size effect due to the potential formed by the valence band of the composite quantum well layer. This suppresses the phenomenon that the ground quantum level of the hole shifts to the low energy side.

この作用により、SOA4は、軽いホールの基底量子準位を重いホールの基底量子準位に近づけるように制御していると言える。また、このような層構成により、例えば、SOA3と比較して量子準位制御層143の伸張歪を低減できる。このため、複合量子井戸層241の平均歪量を抑圧できるので複合量子井戸層241の結晶性を向上できる利点がある。   With this action, it can be said that the SOA 4 controls the base quantum level of a light hole to be close to the base quantum level of a heavy hole. Further, with such a layer configuration, for example, the extension strain of the quantum level control layer 143 can be reduced as compared with the SOA 3. For this reason, since the average strain amount of the composite quantum well layer 241 can be suppressed, there is an advantage that the crystallinity of the composite quantum well layer 241 can be improved.

ここで説明したSOA4では、電子、軽いホール、及び重いホールに対するポテンシャルは、いずれも複合量子井戸層241内で対称形状となるため、電子、軽いホール、及び重いホールの存在確率密度分布もいずれも複合量子井戸層241内で対称な分布となる。   In the SOA 4 described here, the potentials for electrons, light holes, and heavy holes all have a symmetrical shape in the composite quantum well layer 241. Therefore, the existence probability density distributions of electrons, light holes, and heavy holes are all present. The distribution is symmetric within the composite quantum well layer 241.

以下に述べるように、量子準位制御層143が伸長歪を有する構成例について、主量子井戸層144のバンドギャップ波長と層厚を変えながら量子準位制御層143の層厚と歪量の関係についてシミュレーションすることにより、本実施形態のSOA2からSOA4を作製するための構造条件を調べた。その結果を図10に示す。   As will be described below, in the configuration example in which the quantum level control layer 143 has an extensional strain, the relationship between the layer thickness of the quantum level control layer 143 and the strain amount while changing the band gap wavelength and the layer thickness of the main quantum well layer 144. The structural conditions for fabricating SOA4 from SOA2 of this embodiment were investigated by simulating the above. The result is shown in FIG.

図10では、横軸をナノメートル(nm)単位で表した量子準位制御層143の層厚(dQLC)とし、また縦軸をパーセント(%)単位で表した量子準位制御層143の歪量(εQLC)としている。 In FIG. 10, the horizontal axis represents the layer thickness (d QLC ) of the quantum level control layer 143 expressed in nanometer (nm) units, and the vertical axis represents the quantum level control layer 143 expressed in percent (%) units. The amount of strain (ε QLC ).

例えば1300nm波長帯に対して本実施形態のSOA2からSOA4を適用した場合、図10(c)に斜線を施した領域、即ち、以下の(5)式と(6)式で表す直線f5(dQLC)及びf6(dQLC)に挟まれた領域で、かつ、εQLC<0及びdQLC≧2nmの条件で、SOA2からSOA4を作製できることがわかった。
f5(dQLC)=0.06×dQLC−0.67 ・・・・・(5)
f6(dQLC)=0.04×dQLC−1.38 ・・・・・(6)
For example, when SOA2 to SOA4 of the present embodiment are applied to the 1300 nm wavelength band, the hatched region in FIG. 10C, that is, the straight line f5 (d expressed by the following equations (5) and (6) QLC) and in the region sandwiched f6 (d QLC), and, under the condition of epsilon QLC <0 and d QLC ≧ 2 nm, was able to be manufactured SOA4 from SOA 2.
f5 (d QLC ) = 0.06 × d QLC −0.67 (5)
f6 (d QLC ) = 0.04 × d QLC -1.38 (6)

なお、(5)式は利得波長帯の限界線となり、この直線よりεQLCが大きく、かつ負となる領域では、利得波長帯が1300nmからシフトしてしまう。一方、(6)式で示す直線よりεQLCが小さく、かつ負となる領域では、量子準位制御層143と障壁層142の界面においてヘテロ障壁がType−II型となり、電子の輸送を妨げるバンド構造となってしまう。また、dQLC<2nmの条件では、量子準位制御層143による量子準位の制御が困難となる。 Equation (5) is a limit line of the gain wavelength band, and the gain wavelength band shifts from 1300 nm in a region where ε QLC is larger and negative than this straight line. On the other hand, in the region where ε QLC is smaller and negative than the straight line represented by the equation (6), the heterobarrier becomes Type-II type at the interface between the quantum level control layer 143 and the barrier layer 142, and the band that prevents the electron transport. It becomes a structure. Further, under the condition of d QLC <2 nm, it becomes difficult to control the quantum level by the quantum level control layer 143.

また、例えば1500nm波長帯に対して本実施形態のSOA2からSOA4を適用した場合、図10(d)に斜線を施した領域、即ち、以下の(7)式と(8)式で表す直線f7(dQLC)及びf8(dQLC)に挟まれた領域で、かつ、−1.5%≦εQLC<0の条件で、SOA2からSOA4を作製できることがわかった。
f7(dQLC)=0.432×dQLC−2.32 ・・・・・(7)
f8(dQLC)=0.2×dQLC−4.0 ・・・・・(8)
For example, when SOA2 to SOA4 of the present embodiment are applied to the 1500 nm wavelength band, a hatched area in FIG. 10D, that is, a straight line f7 represented by the following expressions (7) and (8): (d QLC) and in the region flanked by f8 (d QLC), and, under the condition of -1.5% ≦ ε QLC <0, was found to be manufactured SOA4 from SOA 2.
f7 (d QLC ) = 0.432 × d QLC −2.32 (7)
f8 (d QLC ) = 0.2 × d QLC −4.0 (8)

なお、(7)式は量子準位制御層143の混晶組成の限界線となり、この直線よりεQLCが大きく、かつ負となる領域では、量子準位制御層を成長することができない。一方、(8)式で示す直線よりεQLCが小さく、かつ負となる領域では、量子準位制御層143の層厚が臨界膜厚を超えるようになり、良好な結晶成長が困難となる。 Equation (7) is a limit line of the mixed crystal composition of the quantum level control layer 143, and the quantum level control layer cannot be grown in a region where ε QLC is larger than this line and negative. On the other hand, in the region where ε QLC is smaller and negative than the straight line represented by the equation (8), the layer thickness of the quantum level control layer 143 exceeds the critical film thickness, making it difficult to achieve good crystal growth.

また、εQLC<−1.5%である領域では、量子準位制御層143と障壁層142の界面においてヘテロ障壁がType−II型となり、電子の輸送を妨げるバンド構造となってしまう。 In the region where ε QLC <−1.5%, the heterobarrier becomes a Type-II type at the interface between the quantum level control layer 143 and the barrier layer 142, and a band structure that hinders electron transport is formed.

(第5の実施形態)
図11は、第5の実施形態としてのSOA5のバンド構造の要部を模式的に示す図である。この構成は第4の実施形態の変形構造である。図11に示す例では、量子準位制御層143において圧縮歪により価電子帯の軽いホール帯端Elhと重いホール帯端Ehhの縮退が解け、重いホール帯端Ehhが軽いホール帯端Elhより高エネルギー側にシフトしている。また、主量子井戸層144においては、伸張歪により軽いホール帯端Elhが重いホール帯端Ehhより高エネルギー側へシフトすることにより価電子帯の縮退が解けている。
(Fifth embodiment)
FIG. 11 is a diagram schematically showing the main part of the band structure of the SOA 5 as the fifth embodiment. This configuration is a modified structure of the fourth embodiment. In the example shown in FIG. 11, in the quantum level control layer 143, the degeneration of the light hole band edge E lh and the heavy hole band edge E hh of the valence band is solved by the compressive strain, and the heavy hole band edge E hh is the light hole band edge. Shifted to higher energy side than E lh . Further, in the main quantum well layer 144, the degeneracy of the valence band is solved by shifting the light hole band edge E lh to the higher energy side from the heavy hole band edge E hh due to the extension strain.

具体的には、量子準位制御層143の軽いホール帯端Elhが主量子井戸層144の軽いホール帯端Elhよりも低エネルギー側に存在するとともに、量子準位制御層143の重いホール帯端Ehhも主量子井戸層144の重いホール帯端Ehhよりも低エネルギー側に位置する。 More specifically, the light hole band edge E lh quantum level control layer 143 is present on the lower energy side than the light hole band edge E lh of primary quantum well layer 144, heavy quantum level control layer 143 hole also band edge E hh located lower energy side than the main heavy-hole band edge E hh quantum well layer 144.

つまり、複合量子井戸層341内において、圧縮歪を有する量子準位制御層143は、伸張歪を有する主量子井戸層144による軽いホールの基底量子準位の高エネルギー側へのシフト量を抑制して、軽いホールの基底量子準位を重いホールの基底量子準位に近づけるように制御していると言える。   That is, in the composite quantum well layer 341, the quantum level control layer 143 having compressive strain suppresses the shift amount of the ground quantum level of light holes to the high energy side by the main quantum well layer 144 having extension strain. Thus, it can be said that the light is controlled so that the ground quantum level of a light hole approaches that of a heavy hole.

ここで説明したSOA5では、電子、軽いホール、及び重いホールに対するポテンシャルは、いずれも複合量子井戸層341内で対称形状となるため、電子、軽いホール、及び重いホールの存在確率密度分布もいずれも複合量子井戸層341内で対称な分布となる。   In the SOA 5 described here, the potentials for electrons, light holes, and heavy holes all have a symmetrical shape in the composite quantum well layer 341. Therefore, the existence probability density distributions of electrons, light holes, and heavy holes are all present. The composite quantum well layer 341 has a symmetric distribution.

SOA2、SOA3、SOA4、及びSOA5について説明したようなポテンシャル設計により、光学利得の偏波無依存化を実現でき、第1の実施形態で説明した非対称型のポテンシャルを有する複合量子井戸構造に比較して、電子−重いホール間の再結合率、及び、電子−軽いホール間の再結合率を促進させ、光学利得の向上を実現することができる。   With the potential design as described for SOA2, SOA3, SOA4, and SOA5, polarization independence of the optical gain can be realized, compared with the composite quantum well structure having the asymmetric potential described in the first embodiment. Thus, the recombination rate between electrons and heavy holes and the recombination rate between electrons and light holes can be promoted, and an optical gain can be improved.

図12は、本発明に係るSOAについて、p型金属電極20とn型金属電極21を介して順方向に注入された駆動電流に対する、TEモード及びTMモードの光学利得特性の例を示すグラフである。このグラフから、本発明に係るSOAがほぼ偏波無依存の増幅動作特性を実現していることが確認できる。   FIG. 12 is a graph showing an example of TE mode and TM mode optical gain characteristics with respect to the drive current injected in the forward direction through the p-type metal electrode 20 and the n-type metal electrode 21 for the SOA according to the present invention. is there. From this graph, it can be confirmed that the SOA according to the present invention realizes an amplification operation characteristic almost independent of polarization.

なお、これまでの説明においては、複合量子井戸層が2層及び3層の半導体層からなる構造について述べたが、本発明は複合量子井戸層が更に多数の半導体層からなる構成としても良い。   In the above description, the structure in which the composite quantum well layer is composed of two and three semiconductor layers has been described. However, in the present invention, the composite quantum well layer may be composed of a larger number of semiconductor layers.

また、複合量子井戸層が3層より多数の半導体層よりなる構造において、例えば図13に示すように、伸張歪を有する量子準位制御層443aと圧縮歪を有する量子準位制御層443bとを交互に配置することにより、本発明における複合量子井戸層441を例えば非特許文献4に示されているような歪補償構造とすることができる。   Further, in a structure in which the composite quantum well layer is composed of more than three semiconductor layers, for example, as shown in FIG. 13, a quantum level control layer 443a having an extension strain and a quantum level control layer 443b having a compression strain are provided. By arranging them alternately, the composite quantum well layer 441 in the present invention can have a strain compensation structure as shown in Non-Patent Document 4, for example.

このような構造とすることにより、複合量子井戸層の結晶欠陥の発生を抑制し、SOAの動作信頼性を更に向上できる。なお、複合量子井戸層441において、図13に示した伸張歪を有する量子準位制御層443aと圧縮歪を有する量子準位制御層443bの配置を入れ替えた構成としても良い。   By adopting such a structure, the generation of crystal defects in the composite quantum well layer can be suppressed, and the operational reliability of the SOA can be further improved. Note that the composite quantum well layer 441 may have a configuration in which the arrangement of the quantum level control layer 443a having extension strain and the quantum level control layer 443b having compression strain illustrated in FIG. 13 are interchanged.

一方、複合量子井戸層が2層及び3層の半導体層からなる構造において、量子準位制御層が伸張歪を有する構造では障壁層142に圧縮歪を印加することにより、この複合量子井戸層を歪補償構造とすることができる。なお、障壁層142に圧縮歪を印加する構造は、複合量子井戸層が3層より多数の半導体層よりなる構造に適用しても良い。   On the other hand, in a structure in which the composite quantum well layer is composed of two and three semiconductor layers, in a structure in which the quantum level control layer has an extensional strain, by applying a compressive strain to the barrier layer 142, the composite quantum well layer is A distortion compensation structure can be obtained. Note that the structure in which compressive strain is applied to the barrier layer 142 may be applied to a structure in which the composite quantum well layer includes more semiconductor layers than three layers.

1〜5 半導体光増幅器(SOA)
11 n型半導体基板(基板)
14,24 活性層
141,241,341,441 複合量子井戸層
142 障壁層
143,443a,443b 量子準位制御層
144 主量子井戸層
1-5 Semiconductor optical amplifier (SOA)
11 n-type semiconductor substrate (substrate)
14, 24 Active layer 141, 241, 341, 441 Composite quantum well layer 142 Barrier layer 143, 443a, 443b Quantum level control layer 144 Main quantum well layer

Claims (9)

障壁層(142)と複数の半導体層からなる複合量子井戸層(141,241,341,441)とを有し、当該障壁層と当該複合量子井戸層とが交互に積層されてなる量子井戸の活性層(14,24)が基板(11)上に形成された半導体光増幅器(1〜5)において、
前記複合量子井戸層の前記複数の半導体層は、当該複合量子井戸層内の量子準位を制御する少なくとも1層の量子準位制御層(143,443a,443b)と、当該量子準位制御層よりもバンドギャップの小さい少なくとも1層の主量子井戸層(144)とからなり、当該量子準位制御層及び当該主量子井戸層のうち、少なくとも1層が前記基板に対して伸張歪を有することを特徴とする半導体光増幅器。
A quantum well having a barrier layer (142) and a composite quantum well layer (141, 241, 341, 441) composed of a plurality of semiconductor layers, wherein the barrier layer and the composite quantum well layer are alternately stacked; In the semiconductor optical amplifier (1-5) in which the active layers (14, 24) are formed on the substrate (11),
The plurality of semiconductor layers of the composite quantum well layer include at least one quantum level control layer (143, 443a, 443b) for controlling a quantum level in the composite quantum well layer, and the quantum level control layer And at least one main quantum well layer (144) having a smaller band gap, and at least one of the quantum level control layer and the main quantum well layer has a tensile strain with respect to the substrate. A semiconductor optical amplifier characterized by the above.
前記複合量子井戸層の前記複数の半導体層が1層の前記主量子井戸層及び1層の前記量子準位制御層からなることを特徴とする請求項1に記載の半導体光増幅器。   2. The semiconductor optical amplifier according to claim 1, wherein the plurality of semiconductor layers of the composite quantum well layer includes one main quantum well layer and one quantum level control layer. 前記複合量子井戸層の前記複数の半導体層は、複数の前記量子準位制御層と、少なくとも1層以上の前記主量子井戸層とからなり、少なくとも2層以上の当該量子準位制御層が、少なくとも1層以上の当該主量子井戸層を両側から挟むように積層されたことを特徴とする請求項1に記載の半導体光増幅器。   The plurality of semiconductor layers of the composite quantum well layer includes a plurality of quantum level control layers and at least one or more main quantum well layers, and at least two or more quantum level control layers include: 2. The semiconductor optical amplifier according to claim 1, wherein at least one main quantum well layer is stacked so as to sandwich the main quantum well layer from both sides. 前記複合量子井戸層の前記複数の半導体層は、複数の前記量子準位制御層と、少なくとも1層以上の前記主量子井戸層とからなり、前記障壁層と複数の当該量子準位制御層の間に、少なくとも1層以上の当該主量子井戸層を配置するように積層されたことを特徴とする請求項1に記載の半導体光増幅器。   The plurality of semiconductor layers of the composite quantum well layer include a plurality of quantum level control layers and at least one or more main quantum well layers, and the barrier layers and the plurality of quantum level control layers 2. The semiconductor optical amplifier according to claim 1, wherein the semiconductor optical amplifier is laminated so that at least one main quantum well layer is disposed therebetween. 前記主量子井戸層が前記基板に対して圧縮歪を有することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の半導体光増幅器。   The semiconductor optical amplifier according to claim 1, wherein the main quantum well layer has a compressive strain with respect to the substrate. 前記主量子井戸層が前記基板に対して無歪であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の半導体光増幅器。   5. The semiconductor optical amplifier according to claim 1, wherein the main quantum well layer is unstrained with respect to the substrate. 前記主量子井戸層が前記基板に対して伸張歪を有することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の半導体光増幅器。   The semiconductor optical amplifier according to claim 1, wherein the main quantum well layer has a tensile strain with respect to the substrate. 前記量子準位制御層が前記基板に対して伸張歪を有することを特徴とする請求項7に記載の半導体光増幅器。   8. The semiconductor optical amplifier according to claim 7, wherein the quantum level control layer has a tensile strain with respect to the substrate. 前記複合量子井戸層がIII−V族混晶であるInGaAsPからなることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の半導体光増幅器。   9. The semiconductor optical amplifier according to claim 1, wherein the composite quantum well layer is made of InGaAsP which is a III-V group mixed crystal.
JP2013251957A 2013-12-05 2013-12-05 Semiconductor optical amplifier Active JP6062847B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013251957A JP6062847B2 (en) 2013-12-05 2013-12-05 Semiconductor optical amplifier

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013251957A JP6062847B2 (en) 2013-12-05 2013-12-05 Semiconductor optical amplifier

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016218651A Division JP6240738B2 (en) 2016-11-09 2016-11-09 Semiconductor optical amplifier

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2015109365A true JP2015109365A (en) 2015-06-11
JP6062847B2 JP6062847B2 (en) 2017-01-18

Family

ID=53439522

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013251957A Active JP6062847B2 (en) 2013-12-05 2013-12-05 Semiconductor optical amplifier

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6062847B2 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07202348A (en) * 1994-01-07 1995-08-04 Furukawa Electric Co Ltd:The Semiconductor light amplifier element
US20070248135A1 (en) * 2006-04-19 2007-10-25 Mawst Luke J Quantum well lasers with strained quantum wells and dilute nitride barriers
JP2007281399A (en) * 2006-04-12 2007-10-25 Hitachi Ltd Semiconductor light emitting element
JP2008502943A (en) * 2004-06-14 2008-01-31 アバゴ・テクノロジーズ・ジェネラル・アイピー(シンガポール)プライベート・リミテッド Semiconductor quantum well device
JP2009224691A (en) * 2008-03-18 2009-10-01 Fujitsu Ltd Semiconductor optical amplifier, its manufacturing process, and semiconductor optical integrated element
JP2013520003A (en) * 2010-02-12 2013-05-30 ザ センター フォー インテグレーテッド フォトニクス リミテッド Semiconductor device

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07202348A (en) * 1994-01-07 1995-08-04 Furukawa Electric Co Ltd:The Semiconductor light amplifier element
JP2008502943A (en) * 2004-06-14 2008-01-31 アバゴ・テクノロジーズ・ジェネラル・アイピー(シンガポール)プライベート・リミテッド Semiconductor quantum well device
JP2007281399A (en) * 2006-04-12 2007-10-25 Hitachi Ltd Semiconductor light emitting element
US20070248135A1 (en) * 2006-04-19 2007-10-25 Mawst Luke J Quantum well lasers with strained quantum wells and dilute nitride barriers
JP2009224691A (en) * 2008-03-18 2009-10-01 Fujitsu Ltd Semiconductor optical amplifier, its manufacturing process, and semiconductor optical integrated element
JP2013520003A (en) * 2010-02-12 2013-05-30 ザ センター フォー インテグレーテッド フォトニクス リミテッド Semiconductor device

Also Published As

Publication number Publication date
JP6062847B2 (en) 2017-01-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4922036B2 (en) Quantum dot semiconductor device
JP4554526B2 (en) Semiconductor light emitting device
JP5475398B2 (en) Semiconductor light emitting device
US8687269B2 (en) Opto-electronic device
WO2010050071A1 (en) Semiconductor laser element
JP3868353B2 (en) Semiconductor optical device having quantum dots
US8729526B2 (en) Optical semiconductor device and method of manufacturing optical semiconductor device
JP4061040B2 (en) Multiple quantum well semiconductor device
US10277010B2 (en) Semiconductor laser
US9912122B2 (en) Semiconductor optical device
JPH07297485A (en) Semiconductor laser device and manufacture thereof
JP6240738B2 (en) Semiconductor optical amplifier
JP6062847B2 (en) Semiconductor optical amplifier
JP2010021430A (en) Semiconductor photonic element
JP4930317B2 (en) Semiconductor optical device
JP4117778B2 (en) Semiconductor optical device
JP5119789B2 (en) Quantum dot semiconductor laser
JP2006186400A (en) Semiconductor laser apparatus
JP2019102585A (en) Optical device
JP2019102581A (en) Optical semiconductor integrated device, method for manufacturing the same, and optical communication system
US8023545B2 (en) Semiconductor light emitting device
JP2010109237A (en) Optical phase control element and semiconductor light-emitting element
JP5641099B2 (en) Semiconductor optical amplifier, manufacturing method thereof, and semiconductor optical integrated device
JP5887858B2 (en) Optical semiconductor device and manufacturing method thereof
JP5494464B2 (en) Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20150723

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160712

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20160713

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20160819

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20161027

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20161213

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20161215

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6062847

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250