JP2022094698A - 半導体光増幅器 - Google Patents

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Abstract

【課題】バンドギャップエネルギーより小さいエネルギーの光を増幅可能な半導体光増幅器を提供する。【解決手段】本実施の形態に係る半導体光増幅器１は、第１端面Ｒ１と、第１端面と離隔して配置された第２端面Ｒ２と、第１端面と第２端面との間に配置された第１半導体領域１０及び第２半導体領域１４と、第１端面と第２端面との間に、第１半導体領域と第２半導体領域に挟まれて配置され、間接遷移型半導体で形成され、入力光ｈνｉの強度を誘導放出により増幅する活性層１２と、第１半導体領域に接続された第１電極１６と、第２半導体領域に接続され、活性層中のキャリア密度変化を第１電極との電位差により検出する第２電極１８とを備える。活性層は、間接遷移型半導体のバンドギャップ中にエネルギー準位を形成する再結合中心となる点欠陥を備え、このエネルギー準位を介する遷移によりバンドギャップエネルギーより小さいエネルギーの光を増幅する。【選択図】図１

Description

本実施の形態は、半導体光増幅器に関する。
可視光から近赤外光用の受光素子として、フォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）や、ＰＤに逆バイアスをかけてＰＤよりも高感度で増倍機能を有するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Avalanche Photo Diode）が用いられている。一方、光通信に用いられる半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）は光増幅機能を備え、受光素子としても動作する。
特開平０４－２５８２４号公報 特公昭６２－４４８３３号公報 特開平０３－９６９１７号公報 特公表２００３－５３３８９６号公報
ＰＤやＡＰＤは、受光波長がバンドギャップ間の電子の遷移によって決まる。すなわち、エネルギー的に安定な状態から高い状態に電子が遷移することで受光波長の上限がバンドギャップ幅により決まる。
一方、ＳＯＡは、例えば、ＩｎＰ、ＧａＡｓ等の半導体レーザを構成する直接遷移型半導体を使用する。このため、基板にシリコン（Ｓｉ）等の間接遷移型半導体を使用することができない。このため、基板の選択性が少なく高価である。また、ＳＯＡの受光波長もバンドギャップ間の電子の遷移を利用しているため、バンドギャップに依存する。
本実施の形態は、バンドギャップエネルギーより小さいエネルギーの光を増幅可能な半導体光増幅器を提供する。
本実施の形態の一態様によれば、間接遷移型半導体で形成され、入力光の信号強度を誘導放出により増幅する活性層と、前記活性層中のキャリア密度変化を検出する検出電極とを備え、前記活性層は、前記間接遷移型半導体のバンドギャップ中にエネルギー準位を形成する再結合中心となる点欠陥を備え、前記エネルギー準位を介する遷移により前記間接遷移型半導体のバンドギャップエネルギーより小さいエネルギーの光を増幅する、半導体光増幅器が提供される。
本実施の形態の他の態様によれば、非晶質半導体で形成され、入力光の信号強度を誘導放出により増幅する活性層と、前記活性層中のキャリア密度変化を検出する検出電極とを備え、前記活性層は、前記非晶質半導体のバンドギャップ中にエネルギー準位を形成する再結合中心となる点欠陥を備え、前記エネルギー準位を介する遷移により前記非晶質半導体のバンドギャップエネルギーより小さいエネルギーの光を増幅する、半導体光増幅器が提供される。
本実施の形態の他の態様によれば、第１端面と、前記第１端面と離隔して配置された第２端面と、前記第１端面と第２端面との間に配置され、第１導電型の第１半導体領域と、前記第１端面と第２端面との間に配置され、前記第１導電型と反対導電型の第２導電型の第２半導体領域と、前記第１端面と第２端面との間に、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域に挟まれて配置され、間接遷移型半導体で形成され、入力光の強度を誘導放出により増幅する活性層と、前記第１半導体領域に接続された第１電極と、前記第２半導体領域に接続され、前記活性層中のキャリア密度変化を前記第１電極との電位差により検出する第２電極とを備え、前記活性層は、前記間接遷移型半導体のバンドギャップ中にエネルギー準位を形成する再結合中心となる点欠陥を備え、前記エネルギー準位を介する遷移により前記間接遷移型半導体のバンドギャップエネルギーより小さいエネルギーの光を増幅する、半導体光増幅器が提供される。
本実施の形態によれば、バンドギャップエネルギーより小さいエネルギーの光を増幅可能な半導体光増幅器を提供することができる。
（ａ）第１の実施の形態に係る半導体光増幅器の断面図、（ｂ）第１の実施の形態に係る半導体光増幅器の等価回路図。 第１の実施の形態に係る半導体光増幅器の熱平衡状態におけるエネルギーバンド構造図。 第１の実施の形態に係る半導体光増幅器の順方向バイアス状態におけるエネルギーバンド構造図。 （ａ）第１の実施の形態の変形例１に係る半導体光増幅器の断面図、（ｂ）第１の実施の形態の変形例２に係る半導体光増幅器の断面図。 第２の実施の形態に係る半導体光増幅器の断面図。 第３の実施の形態に係る半導体光増幅器の断面図。 第３の実施の形態に係る半導体光増幅器において、（ａ）受光端から出力端までの光強度分布Ｐｈの模式図、（ｂ）受光端から出力端までの電子数分布Ｎｎの模式図。 第４の実施の形態に係る半導体光増幅器の断面図。 （ａ）第５の実施の形態に係る半導体光増幅器の熱平衡状態におけるエネルギーバンド構造図、（ｂ）第５の実施の形態に係る半導体光増幅器の断面図。 （ａ）直接遷移型（Direct Transition）半導体結晶のエネルギーバンド構造図、（ｂ）間接遷移型（Indirect Transition）半導体結晶のエネルギーバンド構造図。 捕獲・再結合過程の種々の電子遷移の説明図。 （ａ）光励起過程の模式的説明図、（ｂ）局在するエネルギー準位における捕獲と再結過程の模式的説明図。 ２元系、３元系及び４元系ＩＩＩ－Ｖ族半導体結晶の格子定数とバンドギャップエネルギー、光波長の関係を示す図。 様々な半導体結晶を受光素子として構成した場合の受光波長帯域の例。 （ａ）ダイヤモンド結晶中の窒素Ｎ－空孔ペア（ダイヤモンドＮＶセンタ）の結晶構造の模式的構造図、（ｂ）ダイヤモンド結晶中の窒素Ｎ－空孔ペア（ダイヤモンドＮＶセンタ）のエネルギー準位の模式図。 （ａ）シリコンＳｉ空孔欠陥を有する４Ｈ－ＳｉＣや６Ｈ－ＳｉＣのｐｎ接合のエネルギーバンド構造図とエネルギー準位の説明図、（ｂ）シリコンＳｉ空孔欠陥を有する４Ｈ－ＳｉＣや６Ｈ－ＳｉＣのｐｎ接合のフォトルミネッセンス（ＰＬ）とエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）の測定結果（エネルギーと波長依存性）。 （ａ）４Ｈ－ＳｉＣ中の２重空孔欠陥（Divacancy）の結晶構造図、（ｂ）２重空孔欠陥を有する４Ｈ－ＳｉＣのｐｎ接合のフォトルミネッセンス（ＰＬ）の測定結果（波長依存性）。 （ａ）アモルファスＳｉ中のＥｒ3+（エルビウムイオン）の形成するエネルギー準位の説明図、（ｂ）アモルファスＳｉ中に形成されたＥｒ3+（エルビウムイオン）のフォトルミネッセンス（ＰＬ）の測定結果（波長依存性）。 ＧａＰ中のＣｄ、Ｃｄ－Ｏ及びＳ添加によるエネルギー準位の説明図。
次に、図面を参照して、実施の形態について説明する。以下に説明する図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。図面は模式的なものである。また、以下に示す実施の形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、部品の材質、形状、構造、配置等を特定するものではない。実施の形態は、種々の変更を加えることができる。
（第１の実施の形態）
（半導体光増幅器）
第１の実施の形態に係るＳＯＡ１の断面構造は、図１（ａ）に示すように表され、等価回路は、図１（ｂ）に示すように表される。
第１の実施の形態に係るＳＯＡ１は、間接遷移型半導体で形成され、入力光ｈνｉの信号強度を誘導放出により増幅する活性層（ＡＬ）１２と、活性層１２中のキャリア密度変化を検出する検出電極（１６、１８）とを備える。
活性層１２は、間接遷移型半導体のバンドギャップ中にエネルギー準位を形成する再結合中心となる点欠陥を備える。このエネルギー準位を介する遷移により間接遷移型半導体のバンドギャップエネルギーより小さいエネルギーの光を増幅する。
第１の実施の形態に係るＳＯＡ１は、図１（ｂ）に示すように、誘導放出を実現する閾値電流以上の順方向電流Ｉを導通させ、この状態で活性層１２中に入力光ｈνｉを入射させて増幅されたコヒーレントな出力光ｈνｏを出力する。図１（ｂ）において、活性層１２中の矢印は、Ｚ方向に入力光ｈνｉが次第に増幅されていく様子を模式的に示している。ここで、ＳＯＡ１の主電極（１６、１８）間の電圧Ｖｏを検出することで、活性層１２中のキャリア密度変化を電気的に検出することができる。
更に、第１の実施の形態に係るＳＯＡ１は、第１端面Ｒ１と、第２端面Ｒ２と、ｎ型の第１半導体領域１０と、ｐ型の第２半導体領域１４と、活性層１２と、第１電極１６と、第２電極１８とを備える。
第１端面Ｒ１から第２端面Ｒ２に向かう方向をＺ方向、第１端面Ｒ１に平行で第１半導体領域１０から第２半導体領域１４に向かう方向をＸ方向、Ｚ方向とＸ方向に垂直な方向をＹ方向と定義する。
第２端面Ｒ２は、第１端面Ｒ１とＺ方向に距離Ｚ１離隔して配置される。ｎ型の第１半導体領域１０は、第１端面Ｒ１と第２端面Ｒ２との間に配置される。ｐ型の第２半導体領域１４も第１端面Ｒ１と第２端面Ｒ２との間に配置される。
活性層１２は、第１端面Ｒ１と第２端面Ｒ２との間に、第１半導体領域１０と第２半導体領域１４に挟まれて配置される。活性層１２は、間接遷移型半導体で形成され、入力光ｈνｉの信号強度を誘導放出により増幅する。
第１電極１６は、第１半導体領域１０に接続される。第２電極１８は、第２半導体領域１４に接続される。第２電極１８は、活性層１２中のキャリア密度変化を第１電極１６との電圧Ｖｏにより検出することができる。
活性層１２は、間接遷移型半導体のバンドギャップ中にエネルギー準位を形成する再結合中心となる点欠陥を備えている。
第１の実施の形態に係るＳＯＡ１は、エネルギー準位を介する遷移により間接遷移型半導体のバンドギャップエネルギーより小さいエネルギーの光を増幅することができる。
更に、第１の実施の形態に係るＳＯＡ１は、第１端面Ｒ１に配置された第１無反射コーティング膜２０と、第２端面Ｒ２に配置された第２無反射コーティング膜２２とを備えていても良い。
第１半導体領域１０、第２半導体領域１４及び活性層１２は、Ｚ方向にストライプ状に延伸していても良い。
活性層１２は、入力光ｈνｉの信号強度を増幅する光増幅媒質を有する。光増幅媒質は、誘導放出を実現するための媒質であり、反転分布を実現するための点欠陥を有する。
（半導体光増幅器の特性＿利得と光出力の飽和）
第１の実施の形態に係るＳＯＡ１では、図１（ａ）に示すように、半導体レーザと同様に活性領域構造を用いて、電子と正孔を電流注入により注入して、電子エネルギーの高い励起準位である伝導帯から低いエネルギー準位である価電子帯へ遷移によって光増幅を実現可能である。
活性層１２は、ｐ型又はｎ型の半導体層であり、発光再結合中心を含む層である。発光再結合中心は、点欠陥により導入される。例えば、活性層１２中には、発光再結合中心が形成するエネルギー準位が形成されている（図示省略）。
第１の実施の形態に係るＳＯＡ１においては、発光再結合中心が形成するエネルギー準位間の遷移を利用して光増幅を行うことで、バンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの長波長の光でも光増幅可能である。
励起準位から基底準位に遷移して光を増幅する誘導放出、その逆の光を吸収して基底準位から励起準位に遷移する吸収、光が存在しない状態でも場のゼロ点振動との相互作用で励起準位から基底準位に遷移する自然放出がある。
図１（ｂ）において、Ｚ＝０での光の入力パワーをＰin、Ｚ＝Ｚ１＝Ｌ１での出力パワーをＰoutとすると、入力光ｈνｉは、活性層１２を伝搬しながら誘導放出により増幅されて、出力パワーＰoutは以下の様に表される。

Ｐout＝Ｐin・ＥＸＰ（∫0 L1ξｇｄＺ） (１)
ここで、ξは、伝搬する光のパワーが活性層１２に閉じ込められる割合を表す光閉じ込め係数である。
ｇは、単位長さ当りの光のパワーが増幅される割合であり、注入電子密度と波長の関数になっている。注入電子密度は場所の関数であるので、利得係数ｇも場所の関数になる。特に利得係数ｇがＺに対して均一であるときは以下の様に表される。

Ｐout＝Ｐin・ｅｘｐ（ξｇＬ１） (２)
ここで、利得係数ｇ＞０のとき、光強度が指数関数的に増大し、光の増幅が起こる。バルクの半導体では、注入電子密度Ｎに対して、近似的に利得係数ｇは以下の様に表される。

ｇ＝Ａ（Ｎ－Ｎg） （３）
ここで、Ｎgは、正の利得が生じるのに必要な電子密度、Ａは比例定数である。増幅度（利得Ｇ）は、次式のデシベル（ｄＢ）の単位で表される。

Ｇ＝Ｐout／Ｐin＝ｅｘｐ（ξｇＬ１）＝１０ξｇＬ１／ｌｎ（１０）（ｄＢ）（４）
以上の議論は、利得係数ｇが空間に対して一定の場合であるが、入力パワーＰinを増加させていくと、出力パワーＰoutは、極めて大きくなり、誘導放出が激しく起こって、電子密度が減少する。その結果、利得係数ｇが減少し、入力パワーＰinが小さいときに比べると利得が減少することになる（利得飽和）。
活性層１２中の発光再結合中心は、電子線照射やイオン注入により形成可能である。発光再結合中心は、例えば空孔、希土類イオン、不純物原子との複合欠陥などにより形成される。
第１の実施の形態に係るＳＯＡ１においては、活性層１２にキャリアを注入することによって、発光再結合中心への電流注入により光増幅が可能である。
発光再結合中心への電流注入により活性層１２中で誘導放出が実現され、入射光ｈνｉの入射により光増幅が生じる。光増幅媒質１２のキャリア密度変化を電気的に検出する手段により、その際のキャリア消費を電圧検出することができる。
第１の実施の形態に係るＳＯＡ１によれば、発光再結合中心が形成するエネルギー準位間の遷移を利用して光増幅を行うことで、バンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの長波長の光でも光増幅可能である。
第１の実施の形態に係るＳＯＡ１によれば、バンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの長波長の光でも受光可能であり、バンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの長波長の光の受光素子としても動作可能である。
ここで、発光再結合中心とは、活性層１２のバンドギャップ中にエネルギー準位を形成する点欠陥（内因性・外因性点欠陥）のうち、電気的・光学的励起により発光するものをいう。内因性の点欠陥とは、空孔（vacancy）や、アンチサイト欠陥と呼ばれる化合物の複合欠陥等である。また、外因性点欠陥とは、不純物由来の欠陥である。以下の本実施の形態に係る半導体光増幅器の説明においても同様である。
―端面反射の抑制―
第１の実施の形態に係るＳＯＡ１は、進行波型増幅器である。第１の実施の形態に係るＳＯＡ１は、ファブリペローレーザの両端の共振させるミラーの無い構造を備える。
第１の実施の形態に係るＳＯＡ１は、端面反射の抑制のために端面に無反射コーティング膜を備えていても良い。
第１導体領域１０、活性層１２及び第２半導体領域１４は、図１（ａ）に示すように、第１の端面Ｒ１を備え、第１の端面Ｒ１には、無反射コーティング膜２０を備えていても良い。
また、第１半導体領域１０、活性層１２及び第２半導体領域１４は、図１（ａ）に示すように、第１の端面Ｒ１に対向した第２の端面Ｒ２を備え、第２の端面Ｒ２には、無反射コーティング膜２２を備えていても良い。
無反射コーティング膜２０、２２は、単層又は多層の誘電体層を備える。誘電体層の材料としては、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯｘ）やシリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）を適用可能である。
また、第１半導体領域１０には、第１電極（Ｅｎ）１６が接続され、第２半導体領域１４には、第２電極（Ｅｐ）１８が接続されている。
―エネルギーバンド構造―
（熱平衡状態）
第１の実施の形態に係る半導体光増幅器の熱平衡状態におけるエネルギーバンド構造は、図２に示すように表される。
活性層１２は、ｐ型又はｎ型の半導体層であり、発光再結合中心を含む層であり、活性層１２中には、発光再結合中心が形成するエネルギー準位Ｅｔ１、Ｅｔ２が形成されている。
第１の実施の形態に係るＳＯＡ１においては、エネルギー準位Ｅｔ１、Ｅｔ２間の遷移を利用して光増幅を行うことで、バンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの長波長の光でも光増幅可能である。
第１の実施の形態に係るＳＯＡ１によれば、バンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの長波長の光でも受光可能であり、バンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの長波長の光の受光素子としても動作可能である。
第１の実施の形態に係るＳＯＡ１においては、発光再結合中心により、エネルギー準位Ｅｔ１、Ｅｔ２が活性層（ＡＬ）１２のエネルギーギャップ中に形成されている。また、ｐ+型半導体層１４及びｎ+型半導体層１０は、いずれも縮退型半導体である。
熱平衡状態においては、図２に示すように、フェルミレベルＥＦは、第２半導体領域１４の価電子帯に配置され、第１半導体領域１０の伝導帯に配置されている。
（順方向バイアス状態）
第１の実施の形態に係るＳＯＡ１の順方向バイアス状態におけるエネルギーバンド構造は、図３に示すように表される。順方向バイアスポテンシャルｑＶを印加することで、第２半導体領域１４のフェルミレベルＥＦＶに対して、第１半導体領域１０のフェルミベルＥＦＣは、十分に深く、伝導帯に上昇している。第１半導体領域１０のフェルミベルＥＦＣよりも低いレベルで伝導帯のＥＣとの間に充満した電子は、反転分布を形成している。第２半導体領域１４のフェルミベルＥＦＶよりも高いレベルで価電子帯のＥＶとの間に充満した正孔も反転分布を形成している。
第１半導体領域１０のフェルミベルＥＦＣよりも低いレベルで伝導帯ＥＣとの間に充満した電子は価電子帯ＥＶに容易に遷移し、第２半導体領域１４のフェルミベルＥＦＶよりも高いレベルで価電子帯のＥＶとの間に充満した正孔と再結合する。この時、エネルギー準位Ｅｔ１、Ｅｔ２間の遷移を利用して誘導放出により、光増幅を行うことで、バンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの長波長の光でも光増幅可能である。
例えば、Ｓｉのバンドギャップ中に１．５μｍ帯の発光再結合中心となる欠陥を導入してやれば、Ｓｉで１．５μｍm帯で受光可能な受光素子が実現できる。
（第１の実施の形態の変形例）
図４（ａ）は、第１の実施の形態の変形例１に係るＳＯＡ１の断面図である。
第１端面ＲＳ１と第２端面ＲＳ２は、互いに平行でかつＸ軸とＹ軸が形成するＸ－Ｙ平面に対して傾斜している。
第１の実施の形態の変形例１に係るＳＯＡ１は、傾斜端面を備えることによって、端面反射を抑制することができる。
第１の実施の形態の変形例１に係るＳＯＡ１は、傾斜端面を備えることによって、ファブリペローレーザの両端の共振ミラーの無い構造と同様に、進行波型光増幅器を実現している。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。
図４（ｂ）は、第１の実施の形態の変形例２に係るＳＯＡ１の断面図である。
第１の実施の形態の変形例２に係るＳＯＡ１は、端面反射の抑制のために、活性層１２の第２端面Ｒ２近傍に窓領域３０を備えていても良い。窓領域３０は、入力光ｈνｉにコヒーレントな光増幅された出力光ｈνｏを透過する媒質である。
第１の実施の形態の変形例２に係るＳＯＡ１は、活性層１２の第２端面Ｒ２近傍に窓領域３０を備えることによって、ファブリペローレーザの両端の共振ミラーの無い構造と同様に、進行波型光増幅器を実現している。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。
（第２の実施の形態）
図５は、第２の実施の形態に係るＳＯＡ１の断面図である。
第２の実施の形態に係るＳＯＡ１において、第２電極１８は、２個に分割された第２電極１８1、１８2を備える。第１電極１６は、一定電位、例えば接地電位とする。第２電極１８1と第１電極１６との間、第２電極１８2と第１電極１６との間に順方向電流を流し、光増幅が可能な状態にしておいて、入力光ｈνｉを入射してやると、活性層１２中で誘導放出による光増幅が起きる。入力光ｈνｉを入射してやると、活性層１２中でＺ方向にキャリア分布の偏りが生じ、キャリア分布が変化する。この結果、活性層１２中に電位差が生じる。Ｚ方向にゲインが増大し、コヒーレントな増幅された出力光ｈνｏが得られる。活性層１２のキャリア密度が変わるので、第２電極１８1、１８2間の電気的な変化として電位差を検出することができる。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。
活性層１２は、ｐ型又はｎ型の半導体層であり、発光再結合中心を含む層である。発光再結合中心は、点欠陥により導入される。
第２の実施の形態に係るＳＯＡ１においては、エネルギー準位間の遷移を利用して光増幅を行うことで、バンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの長波長の光でも光増幅可能である。
第２の実施の形態に係るＳＯＡ１によれば、バンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの長波長の光でも受光可能であり、バンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの長波長の光の受光素子としても動作可能である。
第２の実施の形態に係るＳＯＡ１は、発光再結合中心の光増幅を利用した半導体受光素子及び半導体光増幅器を提供することができる。
（第３の実施の形態）
図６は、第３の実施の形態に係るＳＯＡ１の断面図である。
第３の実施の形態に係るＳＯＡ１において、第２電極１８は、３個に分割された第２電極１８1、１８2、１８3を備える。第１電極１６は、一定電位、例えば接地電位とする。
電流分割回路２６は、定電流源Ｊに接続されている。第２電極１８1と第１電極１６との間、第２電極１８2と第１電極１６との間、第２電極１８3と第１電極１６との間に導通する電流密度が等しくなるように、３個に分割された第２電極１８1、１８2、１８3は、電流分割回路２６に接続されている。第２電極１８1の電位をＶref、第２電極１８2の電位をＶsig、第２電極１８3の電位をＶmとすると、第２電極１８1、１８2間の電気的な変化として電位Ｖsig、Ｖrefをコンパレータ２４に入力することで、差動検出された電圧Ｖｏを得ることができる。
第２電極１８1と第１電極１６との間、第２電極１８2と第１電極１６との間、第２電極１８3と第１電極１６との間に順方向電流を流し、光増幅が可能な状態にしておいて、入力光ｈνｉを入射してやると、活性層１２中で誘導放出による光増幅が起きる。入力光ｈνｉを入射してやると、活性層１２中でＺ方向にキャリア分布の偏りが生じ、キャリア分布が変化する。この結果、活性層１２中に電位差が生じる。Ｚ方向にゲインが増大し、コヒーレントな増幅された出力光ｈνｏが得られる。活性層１２のキャリア密度が変わるので、第２電極１８1、１８2間の電気的な変化として電位Ｖsig、Ｖrefをコンパレータ２４に入力することで、差動検出された電圧Ｖｏを得ることができる。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。
第３の実施の形態に係るＳＯＡ１においては、エネルギー準位間の遷移を利用して光増幅を行うことで、バンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの長波長の光でも光増幅可能である。
第３の実施の形態に係るＳＯＡ１によれば、バンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの長波長の光でも受光可能であり、バンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの長波長の光の受光素子としても動作可能である。
第３の実施の形態に係るＳＯＡ１は、発光再結合中心の光増幅を利用した半導体受光素子及び半導体光増幅器を提供することができる。
第３の実施の形態に係るＳＯＡ１において、受光端から出力端までの光強度分布Ｐｈは、模式的に図７（ａ）に示すように表される。また、受光端から出力端までの電子数分布Ｎｎは、模式的に図７（ｂ）に示すように表される。受光端から出力端までの光強度分布Ｐｈは、誘導放出に伴う光増幅により、Ｚ方向に徐々に増大する。一方、誘導放出に伴う光増幅により、光強度分布Ｐｈの増大に伴い、キャリア（電子）は再結合により失われるため、電子数分布Ｎｎは、Ｚ方向に徐々に減少する。
（第４の実施の形態）
図８は、第４の実施の形態に係るＳＯＡ１の断面図である。
第４の実施の形態に係るＳＯＡ１において、第２電極１８は、複数個に分割された第２電極１８1、１８2、１８31、１８32、１８33、…、１８3n-1、１８3nを備える。第１電極１６は、一定電位、例えば接地電位とする。第２電極１８1、１８2、１８31、１８32、１８33、…、１８3n-1、１８3nは、第３の実施の形態と同様に、定電流源Ｊに接続された電流分割回路に接続されていても良い。第２電極１８1と第１電極１６との間、第２電極１８2と第１電極１６との間、第２電極１８31、１８32、１８33、…、１８3n-1、１８3nと第１電極１６との間に導通する電流密度が等しくなるように、分割された第２電極１８1、１８2、１８31、１８32、１８33、…、１８3n-1、１８3nは、電流分割回路に接続されていても良い。第２電極１８1、１８2間の電気的な変化として差動検出された電圧Ｖｏを得ることができる。
第２電極１８1と第１電極１６との間、第２電極１８2と第１電極１６との間、第２電極１８31、１８32、１８33、…、１８3n-1、１８3nと第１電極１６との間に順方向電流を流し、光増幅が可能な状態にしておいて、入力光ｈνｉを入射してやると、活性層１２中で誘導放出による光増幅が起きる。入力光ｈνｉを入射してやると、活性層１２中でＺ方向にキャリア分布の偏りが生じ、キャリア分布が変化する。この結果、活性層１２中に電位差が生じる。Ｚ方向にゲインが増大し、コヒーレントな増幅された出力光ｈνｏが得られる。活性層１２のキャリア密度が変わるので、第２電極１８1、１８2間の電気的な変化として電位差をコンパレータに入力することで、差動検出された電圧Ｖｏを得ることができる。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。
第２の実施の形態に係るＳＯＡ１においては、エネルギー準位間の遷移を利用して光増幅を行うことで、バンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの長波長の光でも光増幅可能である。
（第５の実施の形態）
図９（ａ）は、第５の実施の形態に係るＳＯＡ１の熱平衡状態におけるエネルギーバンド構造である。また、図９（ｂ）は、第５の実施の形態に係るＳＯＡ１の断面図である。
第５の実施の形態に係るＳＯＡ１は、間接遷移型半導体で形成され、入力光ｈνｉの信号強度を誘導放出により増幅する活性層（ＡＬ）１２０と、活性層１２０中のキャリア密度変化を検出する検出電極（１６、１８）とを備える。
活性層１２０は、間接遷移型半導体のバンドギャップ中にエネルギー準位を形成する再結合中心となる点欠陥を備える。このエネルギー準位を介する遷移により間接遷移型半導体のバンドギャップエネルギーより小さいエネルギーの光を増幅する。
第５の実施の形態に係るＳＯＡ１は、図１（ｂ）と同様に、誘導放出を実現する閾値電流以上の順方向電流Ｉを導通させ、この状態で活性層１２０中に入力光ｈνｉを入射させて増幅されたコヒーレントな出力光ｈνｏを出力する。ここで、ＳＯＡ１の主電極（１６、１８）間の電圧Ｖｏを検出することで、活性層１２中のキャリア密度変化を電気的に検出することができる。
更に、第５の実施の形態に係るＳＯＡ１は、第１端面Ｒ１と、第２端面Ｒ２と、ｎ型の第１半導体領域１００と、ｐ型の第２半導体領域１４０と、活性層１２０と、第１電極１６と、第２電極１８とを備える。
ここで、活性層１２０は、第１半導体領域１００及び第２半導体領域１４０よりも狭いバンドギャップを備える。
第２端面Ｒ２は、第１端面Ｒ１とＺ方向に距離Ｚ１離隔して配置される。ｎ型の第１半導体領域１００は、第１端面Ｒ１と第２端面Ｒ２との間に配置される。ｐ型の第２半導体領域１４０も第１端面Ｒ１と第２端面Ｒ２との間に配置される。
活性層１２０は、第１端面Ｒ１と第２端面Ｒ２との間に、第１半導体領域１００と第２半導体領域１４０に挟まれて配置される。活性層１２０は、間接遷移型半導体で形成され、入力光ｈνｉの信号強度を誘導放出により増幅する。
第１電極１６は、第１半導体領域１００に接続される。第２電極１８は、第２半導体領域１４０に接続される。第２電極１８は、活性層１２０中のキャリア密度変化を第１電極１６との電圧Ｖｏにより検出することができる。
活性層１２０は、間接遷移型半導体のバンドギャップ中にエネルギー準位を形成する再結合中心となる点欠陥を備えている。
更に、第５の実施の形態に係るＳＯＡ１は、第１端面Ｒ１に配置された第１無反射コーティング膜２０と、第２端面Ｒ２に配置された第２無反射コーティング膜２２とを備えていても良い。
活性層１２０は、入力光ｈνｉの信号強度を増幅する光増幅媒質を有する。光増幅媒質は、誘導放出を実現するための媒質であり、反転分布を実現するための点欠陥を有する。
第５の実施の形態に係るＳＯＡ１は、図９（ａ）に示すように、半導体レーザと同様な２重へテロ接合からなる活性領域構造を用いて、電子と正孔を電流注入により注入して、電子エネルギーの高い励起準位である伝導帯から低いエネルギー準位である価電子帯へ遷移によって光増幅を実現可能である。
活性層１２０は、ｐ型又はｎ型の半導体層であり、発光再結合中心を含む層である。発光再結合中心は、点欠陥により導入される。例えば、活性層１２０中には、発光再結合中心が形成するエネルギー準位Ｅｔ１、Ｅｔ２が形成されている（図示省略）。
第５の実施の形態に係るＳＯＡ１においても、エネルギー準位Ｅｔ１、Ｅｔ２間の遷移を利用して光増幅を行うことで、バンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの長波長の光でも光増幅可能である。
図９（ｂ）において、Ｚ＝０での光の入力パワーをＰin、Ｚ＝Ｚ１＝Ｌ１での出力パワーをＰoutとすると、入力光ｈνｉは、活性層１２０を伝搬しながら誘導放出により増幅されて、出力パワーＰoutは（１）式と同様に表される。
第５の実施の形態に係るＳＯＡ１においては、活性層１２は、第１半導体領域１００及び第２半導体領域１４０よりも狭いバンドギャップを備えるため、光の閉じ込め効率が高い。
第５の実施の形態に係るＳＯＡ１は、エネルギー準位を介する遷移により間接遷移型半導体のバンドギャップエネルギーより小さいエネルギーの光を増幅することができる。
（直接遷移型と間接遷移型）
直接遷移型（Direct Transition）半導体結晶のエネルギーバンド構造は、図１０（ａ）に示すように表される。また、間接遷移型（Indirect Transition）半導体結晶のエネルギーバンド構造は、図１０（ｂ）に示すように表される。
半導体結晶のエネルギーバンド構造は、結晶固有のものであり、直接遷移型と間接遷移型に分類することができる。直接遷移型の結晶は、ｋ空間において垂直遷移が優勢に生じるもので、発光ダイオードやレーザダイオード用として有効なエネルギーバンドである。これに対して、間接遷移型結晶から発光を行わせる場合には、水平遷移が含まれるので発光に対しては不必要なエネルギーである熱や音にも変化してしまい、効率の良い発光を行わせるのには不適当である。しかしながら、直接遷移型半導体では、バンド間の遷移により波長が決まるため、波長選択性がない。
本実施の形態に係るＳＯＡ１では、間接遷移型結晶からなる活性層中に発光再結合中心となる点欠陥を導入し、エネルギー準位を介する遷移を利用して光増幅を行うことで、活性層のバンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの長波長の光でも光増幅可能である。
（捕獲・再結合過程の種々の電子遷移）
捕獲・再結合過程の種々の電子遷移を図１１に示す。
電子と正孔が直接再結合する場合、局在した準位に一方が捕獲される場合や他方も捕獲されて再結合する場合、いずれの場合にも何らかの形でエネルギーの放出を伴う。このエネルギー放出の形態は、（１）光を放出する過程、（２）フォノンを放出する非発光過程、（３）エネルギーを他の電子遷移に移してしまう非発光過程の３種類に分類される。
図１１において、（Ａ）、（Ｂ）は、光を放出する、直接再結合過程を示す。エネルギーバンド間の直接再結合が発光中心となる発光過程である。
図１１において、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）は、局在するエネルギー準位Ｅｔが発光中心となる発光過程であり、フォノンのエネルギーよりも十分に大きな遷移エネルギーを放出する場合に生じる。図１１の（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）の発光過程は、一方のキャリア（例えば電子）を局在するエネルギー準位Ｅｔに捕獲した後に、他方のキャリア（正孔）をエネルギー準位Ｅｔに捕獲し、結果的に局在するエネルギー準位Ｅｔにおいて両キャリアの再結合を行わせる。この局在するエネルギー準位Ｅｔが、発光再結合中心である。
図１１において、（Ｆ）は、局在するエネルギー準位としてドナーレベルＥＤとアクセプタＥＡが発光中心となる発光過程である。この局在するエネルギー準位としてのドナーレベルＥＤとアクセプタＥＡも発光再結合中心である。
本実施の形態に係るＳＯＡ１では、エネルギー準位を介する遷移を利用して光増幅を行うことから、図１１の（Ｃ）～（Ｆ）のいずれか若しくはこれらの組み合わせによる発光過程が適用されている。
（光励起過程と局在するエネルギー準位における捕獲と再結過程）
図１２（ａ）は、価電子帯ＥＶと伝導帯ＥＣとの間の光励起過程を模式的に示す。励起状態においては、伝導帯ＥＣには過剰な電子が分布し、価電子帯ＥＶには過剰な正孔が分布している。図１２（ｂ）は、局在するエネルギー準位Ｅｔにおける捕獲と再結合を説明する図である。（Ａ）は伝導帯ＥＣから局在するエネルギー準位Ｅｔへの電子の捕獲過程を示す。（Ｂ）は局在するエネルギー準位Ｅｔから伝導帯ＥＣへの電子の放出過程を示す。（Ｃ）は価電子帯ＥＶから局在するエネルギー準位Ｅｔへの正孔の捕獲過程を示す。（Ｄ）は、局在するエネルギー準位Ｅｔから価電子帯ＥＶへの正孔の放出過程を示す。
（２元系、３元系及び４元系ＩＩＩ－Ｖ族半導体結晶）
図１３は、２元系、３元系及び４元系ＩＩＩ－Ｖ族半導体結晶の格子定数とバンドギャップエネルギー、光波長の関係を示す図である。破線は２元系、３元系及び４元系ＩＩＩ－Ｖ族半導体結晶の間接遷移型結晶の例である。実線は直接遷移型結晶の例である。
本実施の形態に係るＳＯＡ１では、間接遷移型結晶からなる活性層として、図１３に示す２元系、３元系及び４元系ＩＩＩ－Ｖ族半導体結晶の間接遷移型結晶を適用可能である。
本実施の形態に係るＳＯＡ１では、活性層として、図１３に示す２元系、３元系及び４元系ＩＩＩ－Ｖ族半導体結晶の間接遷移型結晶の利用し、発光再結合中心となる点欠陥を導入し、エネルギー準位を介する遷移を利用して光増幅を行うことで、活性層のバンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの長波長の光でも光増幅可能である。
（受光波長帯域の例）
実施の形態に係るＳＯＡ１は、発光再結合中心の光増幅を利用した半導体受光素子及び半導体光増幅器を提供することができる。
実施の形態に係るＳＯＡ１によれば、バンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの長波長の光でも受光可能であり、バンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの長波長の光の受光素子としても動作可能である。
図１４は、様々な半導体結晶を受光素子として構成した場合のバンド間遷移により決まる受光波長帯域の例を示す。図１４において、Ｓｉ、ＧａＡｓＰ、ＧａＰは間接遷移型半導体結晶である。Ｓｉの場合には、受光波長帯域は約０．１８μｍ～約１．１μｍである。ＧａＡｓＰの場合には、受光波長帯域は約０．３μｍ～約０．７μｍである。ＧａＰの場合には、受光波長帯域は約０．１８μｍ～約０．５μｍである。
本実施の形態に係るＳＯＡ１では、活性層に発光再結合中心となる点欠陥を導入し、エネルギー準位を介する遷移を利用して光増幅を行うことで、活性層のバンドギャップエネルギーよりも小さいエネルギーの長波長の光でも受光及び光増幅可能である。
（ダイヤモンド結晶）
ダイヤモンド結晶中の窒素Ｎ－空孔ペア（ダイヤモンドＮＶセンタ）の結晶構造の模式的構造は、図１５（ａ）に示すように表され、ダイヤモンド結晶中の窒素Ｎ－空孔ペア（ダイヤモンドＮＶセンタ）のエネルギー準位は、図１５（ｂ）に示すように表される。
実施の形態に係る半導体光増幅器において、間接遷移型半導体はダイヤモンド結晶を備えていても良い。ここで、点欠陥は、前記ダイヤモンド結晶中の隣り合う窒素原子Ｎと空孔Ｖがペアとなった欠陥を備える。
ダイヤモンド結晶中の窒素Ｎ-空孔ペア（ダイヤモンドＮＶセンタ）は、ダイヤモンド結晶中の隣り合う窒素原子Ｎと空孔Ｖがペアとなった欠陥である。ゼロフォノン線（熱のやりとりを介さない発光遷移）は６３７ｎｍである。光励起により誘導放出（光増幅）する。
（作製手法）
点欠陥は、ダイヤモンド結晶にＮイオンをイオン注入し、６００℃以上で熱処理することで形成される。また、点欠陥は、ダイヤモンド結晶にＮイオンをイオン注入し、電子線照射で空孔欠陥を導入後、熱処理により形成しても良い。また、点欠陥は、ダイヤモンド結晶にＮイオンをイオン注入し、フェムト秒レーザを照射し空孔導入後、パルスレーザで局所的に熱処理して形成しても良い。
（ＳｉＣ結晶）
シリコンＳｉ空孔欠陥を有する６Ｈ－ＳｉＣのｐｎ接合のエネルギーバンド構造とエネルギー準位は、図１６（ａ）に示すように表される。また、シリコンＳｉ空孔欠陥を有する６Ｈ－ＳｉＣのフォトルミネッセンス（ＰＬ）とエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）の測定結果（エネルギーと波長依存性）は、図１６（ｂ）に示すように表される。
実施の形態に係る半導体光増幅器において、間接遷移型半導体はＳｉＣ結晶を備えていても良い。ここで、点欠陥は、ＳｉＣ結晶中のＳｉサイトのＳｉ原子が抜け、空孔となった欠陥を備える。また、ＳｉＣ結晶は、４Ｈ－ＳｉＣ又は６Ｈ－ＳｉＣを備える。
６Ｈ－ＳｉＣのＳｉ空孔欠陥は、ＳｉサイトのＳｉ原子が抜け、空孔となった欠陥である。ゼロフォノン線は１．４ｅＶ(８８７ｎｍ)である。ＢＢで示されるバンド間遷移発光波長は、４００ｎｍである。Ｄ１は別の種類の欠陥による発光であり、発光波長は、５５０ｎｍである。ＶＳｉがＳｉ空孔欠陥による発光を示す。発光波長は、９５０ｎｍである。
（作製手法）
加速電圧０．９ＭｅＶの電子線をドーズ量１０18／ｃｍ2で照射することでＳｉ空孔欠陥を形成することができる。他には、中性子線照射、プロトン（Ｈ+）のイオン注入、またはフェムト秒レーザの照射により形成可能である。
（４Ｈ－ＳｉＣの２重空孔欠陥）
４Ｈ－ＳｉＣ中の２重空孔欠陥（Divacancy）の結晶構造は、図１７（ａ）に示すように表される。また、２重空孔欠陥を有する４Ｈ－ＳｉＣのｐｎ接合の２０Ｋにおけるフォトルミネッセンス（ＰＬ）の測定結果（波長依存性）は、図１７（ｂ）に示すように表される。２重空孔欠陥は、隣り合うＳｉサイトとＣサイトの両方が空孔となった欠陥である。ゼロフォノン線は１．２ｅＶ－１．４ｅＶ（１０３４ｎｍ－１１２９ｎｍ）である。
実施の形態に係る半導体光増幅器において、間接遷移型半導体は４Ｈ－ＳｉＣ結晶を備えていても良い。ここで、点欠陥は、４Ｈ－ＳｉＣ結晶中の隣り合うＳｉサイトとＣサイトの両方が空孔となった２重空孔欠陥を備える。
（作製手法）
２重空孔欠陥は、４Ｈ－ＳｉＣに対し、加速電圧２ＭｅＶ、ドーズ量５×１０12ｃｍ-2～１×１０15ｃｍ-2の電子線を照射した後、アルゴン（Ａｒ）雰囲気下にて７５０℃の熱処理を３０分間実施することで形成することができる。
（アモルファスＳｉ）
アモルファスＳｉ中のＥｒ3+（エルビウムイオン）の形成するエネルギー準位は、図１８（ａ）に示すように表される。また、アモルファスＳｉ中に形成されたＥｒ3+（エルビウムイオン）のフォトルミネッセンス（ＰＬ）の測定結果（波長依存性）は、図１８（ｂ）に示すように表される。
実施の形態に係る半導体光増幅器は、非晶質半導体で形成され、入力光の信号強度を誘導放出により増幅する活性層と、活性層中のキャリア密度変化を検出する検出電極とを備える。活性層は、非晶質半導体のバンドギャップ中にエネルギー準位を形成する再結合中心となる点欠陥を備え、エネルギー準位を介する遷移により非晶質半導体のバンドギャップエネルギーより小さいエネルギーの光を増幅する。
非晶質半導体はアモルファスＳｉを備えていても良い。ここで、点欠陥は、例えば、アモルファスＳｉ中に添加されるＥｒ3+（エルビウムイオン）により導入される。
光増幅媒質は、非晶質半導体のバンドギャップ中に形成された発光再結合中心を有する。
光再結合中心は、非晶質半導体のバンドギャップ中に準位を形成する点欠陥を備える。
点欠陥は、光増幅媒質中に反転分布を実現する。
実施の形態に係る半導体光増幅器において、非晶質半導体はアモルファスＳｉを備えていても良い。ここで、欠陥は、アモルファスＳｉ中にＥｒ3+（エルビウムイオン）により導入される。
（アモルファスＳｉ中のＥｒ3+（エルビウムイオン）の発光波長）
ゼロフォノン線は１．２ｅＶ－１．４ｅＶ（１０３４ｎｍ－１１２９ｎｍ）である。
２００ｋＷ／ｃｍ2以上の強い光励起による誘導放出が可能である。また、電気的に駆動できることも確かめられている。
（作製手法）
点欠陥は、水素化アモルファスシリコンを形成する際、シリコンとエルビウムの共スパッタにより形成される。
（ＧａＰ）
ＧａＰ中のＣｄ、Ｃｄ－Ｏ及びＳ添加によるエネルギー準位は、図１９に示すように表される。
実施の形態に係る半導体光増幅器において、間接遷移型半導体はＧａＰ結晶を備えていても良い。ここで、点欠陥は、ＧａＰ結晶中のカドミウム（Ｃｄ）、カドミウム（Ｃｄ）－酸素（Ｏ）及びＳ添加による複合欠陥を備える。
カドミウム（Ｃｄ）－酸素（Ｏ）による複合欠陥では、局在するエネルギー準位としてドナーレベルＥＤとアクセプタＥＡが発光再結合中心として得られ、出力光ｈνｏ（ＲＥＤ）が得られる。
カドミウム（Ｃｄ）－硫黄（Ｓ）による複合欠陥では、局在するエネルギー準位としてドナーレベルＥＤとアクセプタＥＡが発光再結合中心として得られ、出力光ｈνｏ（ＧＲＥＥＮ）が得られる。
[その他の実施の形態]
上記のように、いくつかの実施の形態について記載したが、開示の一部をなす論述及び図面は例示的なものであり、限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
このように、本実施の形態は、ここでは記載していない様々な実施の形態等を含む。
本実施の形態の半導体光増幅器は、タイムオブフライト（ＴＯＦ）測距センサシステム、３次元センシングシステム、光通信、車載センサー、ＮＶ中心磁気センサー、タンパク質物質の構造解析、細胞内計測、心磁計測、脳磁計測、ホール素子、超電導量子干渉素子（ＳＱＩＤ:Superconducting Quantum Interface Device）等、幅広い分野に適用できる。
１…半導体光増幅器
１０、１００…第１半導体領域
１２、１２０…活性層（ＡＬ）
１４、１４０…第２半導体領域
１６…第１電極
１８、１８1、１８2、１８3、１８31、１８32、１８33、…、１８3n-1、１８3n…第２電極
２０、２２、２００、２２０…無反射コーティング膜
２４…コンパレータ
２６…電流分割回路
３０…窓領域
Ｒ１、ＲＳ１…第１の端面
Ｒ２、ＲＳ２…第２の端面
ｈνｉ…入力光
ｈνｏ…出力光
Ｉ…導電電流
Ｐｈ…光強度
Ｎｎ…電子数
Ｖｏ…電圧
Ｖref、Ｖsig、Ｖm…電位
Ｌ１…ＳＯＡの長さ
Ｅｃ…伝導帯
Ｅｖ…価電子帯
Ｅｇ…バンドギャップエネルギー
ＥＦ、ＥＦＣ、ＥＦＶ…フェルミレベル
Ｅｔ、Ｅｔ１、Ｅｔ２…エネルギー準位

Claims (20)

  1. 間接遷移型半導体で形成され、入力光の信号強度を誘導放出により増幅する活性層と、
    前記活性層中のキャリア密度変化を検出する検出電極と
    を備え、
    前記活性層は、前記間接遷移型半導体のバンドギャップ中にエネルギー準位を形成する再結合中心となる点欠陥を備え、
    前記エネルギー準位を介する遷移により前記間接遷移型半導体のバンドギャップエネルギーより小さいエネルギーの光を増幅する、半導体光増幅器。
  2. 前記点欠陥は、空孔欠陥を備える、請求項１に記載の半導体光増幅器。
  3. 前記点欠陥は、複合欠陥を備える、請求項１に記載の半導体光増幅器。
  4. 前記点欠陥は、前記間接遷移型半導体に添加された不純物により形成される、請求項１に記載の半導体光増幅器。
  5. 前記間接遷移型半導体はダイヤモンド結晶を備え、
    前記点欠陥は、前記ダイヤモンド結晶中の隣り合う窒素原子と空孔がペアとなった欠陥を備える、請求項１に記載の半導体光増幅器。
  6. 前記間接遷移型半導体はＳｉＣ結晶を備え、
    前記点欠陥は、前記ＳｉＣ結晶中のＳｉサイトのＳｉ原子が抜け、空孔となった欠陥を備える、請求項１に記載の半導体光増幅器。
  7. 前記ＳｉＣ結晶は、４Ｈ－ＳｉＣ又は６Ｈ－ＳｉＣを備える、請求項６に記載の半導体光増幅器。
  8. 前記間接遷移型半導体は４Ｈ－ＳｉＣ結晶を備え、
    前記点欠陥は、前記４Ｈ－ＳｉＣ結晶中の隣り合うＳｉサイトとＣサイトの両方が空孔となった欠陥を備える、請求項１に記載の半導体光増幅器。
  9. 前記間接遷移型半導体はＧａＰ結晶を備え、
    前記点欠陥は、前記ＧａＰ結晶中のカドミウムと酸素の複合欠陥を備える、請求項１に記載の半導体光増幅器。
  10. 非晶質半導体で形成され、入力光の信号強度を誘導放出により増幅する活性層と、
    前記活性層中のキャリア密度変化を検出する検出電極と
    を備え、
    前記活性層は、前記非晶質半導体のバンドギャップ中にエネルギー準位を形成する再結合中心となる点欠陥を備え、
    前記エネルギー準位を介する遷移により前記非晶質半導体のバンドギャップエネルギーより小さいエネルギーの光を増幅する、半導体光増幅器。
  11. 前記非晶質半導体はアモルファスＳｉを備え、
    前記点欠陥は、前記アモルファスＳｉ中にＥｒ3+（エルビウムイオン）により導入される、請求項１０に記載の半導体光増幅器。
  12. 第１端面と、
    前記第１端面と離隔して配置された第２端面と、
    前記第１端面と第２端面との間に配置され、第１導電型の第１半導体領域と、
    前記第１端面と第２端面との間に配置され、前記第１導電型と反対導電型の第２導電型の第２半導体領域と、
    前記第１端面と第２端面との間に、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域に挟まれて配置され、間接遷移型半導体で形成され、入力光の強度を誘導放出により増幅する活性層と、
    前記第１半導体領域に接続された第１電極と、
    前記第２半導体領域に接続され、前記活性層中のキャリア密度変化を前記第１電極との電位差により検出する第２電極と
    を備え、
    前記活性層は、前記間接遷移型半導体のバンドギャップ中にエネルギー準位を形成する再結合中心となる点欠陥を備え、
    前記エネルギー準位を介する遷移により前記間接遷移型半導体のバンドギャップエネルギーより小さいエネルギーの光を増幅する、半導体光増幅器。
  13. 前記第２電極は、複数の分割電極を備える、請求項１２に記載の半導体光増幅器。
  14. 前記活性層は、前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域よりも狭いバンドギャップを備える、請求項１２又は１３に記載の半導体光増幅器。
  15. 前記第１端面に配置された第１無反射コーティング膜と、
    前記第２端面に配置された第２無反射コーティング膜と
    を備え、
    前記第１半導体領域、前記第２半導体領域及び前記活性層は、前記第１端面から前記第２端面方向にストライプ状に延伸する、請求項１２～１４のいずれか１項に記載の半導体光増幅器。
  16. 前記第１端面と第２端面は、互いに平行でかつ前記第１端面から前記第２端面方向に対して傾斜している、請求項１５に記載の半導体光増幅器。
  17. 前記活性層は、前記第２端面近傍に窓領域を備える、請求項１２～１５のいずれか１項に記載の半導体光増幅器。
  18. 前記点欠陥は、空孔欠陥を備える、請求項１２～１５のいずれか１項に記載の半導体光増幅器。
  19. 前記点欠陥は、複合欠陥を備える、請求項１２～１５のいずれか１項に記載の半導体光増幅器。
  20. 前記点欠陥は、前記間接遷移型半導体に添加された不純物により形成される、請求項１２～１５のいずれか１項に記載の半導体光増幅器。
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