JP2022094946A - 高飽和出力を有する半導体光増幅器の利得媒体構造 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力高温動作の半導体光増幅器の利得媒体構造を提供する。【解決手段】高出力動作の半導体光増幅器の利得媒体は、ｎ型ドーピングされた基板と、基板を覆って形成された下側クラッド層と、下側クラッド層を覆って形成された下側光閉じ込めスタックと、約－０．１％～－０．５％の引張歪みを有することを特徴とする複数のバリア層によってそれぞれ隔てられた、約０．８％～１．２％の圧縮歪みを有することを特徴とする複数の井戸層を有する多重量子井戸ヘテロ構造を備えた活性層と、を含む。活性層は、下側光閉じ込めスタックを覆っている。利得媒体はさらに、活性層を覆う上側光閉じ込めスタック（上側光閉じ込めスタックは、下側光閉じ込めスタックよりも薄く設定されている）と、上側光閉じ込めスタックを覆う上側クラッド層と、上側クラッド層を覆うｐ型コンタクト層と、を含む。【選択図】図３

Description

本発明は、光通信技術に関するものである。より詳細には、本発明は、高出力高温動作の半導体光増幅器の利得媒体構造を提供するものである。

ここ数十年の間に、通信ネットワークの利用は爆発的に増加した。インターネットの黎明期には、一般的な用途は、電子メール、掲示板、そしてほとんどが情報やテキストベースのウェブページの閲覧に限られており、転送されるデータ量も比較的少ないのが普通であった。今日、インターネットやモバイル用途では、写真、ビデオ、音楽などのマルチメディアファイルを転送するために膨大な量の帯域が必要されている。例えば、Ｆａｃｅｂｏｏｋ（登録商標）などのソーシャルネットワークでは、毎日５００ＴＢ超のデータを処理している。このように、データやデータ転送に対する要求が高いため、既存のデータ通信システムを改善して、これらのニーズに対応する必要がある。

４０Ｇｂｉｔ／ｓ、その次に１００Ｇｂｉｔ／ｓのデータレートの広帯域ＤＷＤＭ（高密度波長分割多重）光伝送を既存のシングルモードファイバー上で行うことは、次世代の光ファイバー通信ネットワークの目標である。つい最近では、シリコン基板上に光学部品を集積し、マイクロエレクトロニクスチップと共存する大規模なフォトニック集積回路の製造が行われている。これまでに、フィルタ、（デ）マルチプレクサ、スプリッタ、モジュレータおよび光検出器を含む、非常にさまざまなフォトニック部品が、主にシリコンフォトニクスプラットフォームで実証されてきました。シリコン（ｎ＝３．４８）とその酸化物であるＳｉＯ_２（ｎ＝１．４４）はともに透明で、高屈折率・高閉じ込めの導波路を形成し、中・高集積のシリコンフォトニクス集積回路（ＳＰＩＣ）に理想的に適しているため、シリコンオンインシュレータ基板上のシリコンフォトニクスプラットフォームは、１３００ｎｍおよび１５５０ｎｍの標準的なＷＤＭ通信帯域に特に適している。

シリコンフォトニクスプラットフォームにおける半導体光増幅器は、光通信の多くの用途に実装されている。例えば、半導体光増幅器（ＳＯＡ）や反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）に基づく波長可変レーザが、分光効率を高めた広帯域光通信用のＳＰＩＣのキーエレメントとして提供されている。しかしながら、広帯域の高速データ通信用途において高温で動作する高出力ＳＯＡ／ＲＳＯＡの利得チップを開発するには、技術的な課題が存在する。そのため、技術の向上が望まれている。

本発明は、光通信技術に関するものである。本発明の一態様は、高出力高温用途のチューナブルレーザ用の半導体光増幅器（ＳＯＡ）および／または反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）の利得媒体構造を提供するものである。より詳細には、本発明は、より広いｎ側の分離閉じ込めヘテロ構造、より狭い量子井戸、およびＳＯＡ／ＲＳＯＡで使用される最適化された活性層閉じ込め係数を有する利得媒体を提供するものであり、高速データ通信用途における広帯域波長可変レーザ用の高温での高飽和出力を有するが、他の用途も可能である。

一実施形態では、本発明は、高出力動作の半導体光増幅器の利得媒体を提供するものである。利得媒体は、ｎ型ドーピングを有する基板と、当該基板を覆って形成された下側クラッド層とを含む。利得媒体はさらに、下側クラッド層を覆う下側光閉じ込めスタックを含む。さらに、利得媒体は、約－０．１％～－０．５％の引張歪みを有することを特徴とする複数のバリア層によってそれぞれ隔てられた、約０．８％～１．２％の圧縮歪みを有することを特徴とする複数の井戸層を有する多重量子井戸ヘテロ構造を備えた活性層を含む。活性層は、下側光閉じ込めスタックを覆っている。利得媒体はさらに、活性層を覆う上側光閉じ込めスタックを含み、上側光閉じ込めスタックは、下側光閉じ込めスタックよりも薄く設定されている。さらに、利得媒体は、上側光閉じ込めスタックを覆う上側クラッド層を含む。さらに、利得媒体は、上側クラッド層を覆うｐ型コンタクト層を含む。

別の実施形態では、本発明は、高出力動作の半導体光増幅器の利得媒体を形成する方法を提供するものである。この方法は、ｎ型ドーピングを有する基板を提供する段階を含む。この方法はさらに、基板を覆って形成された下側クラッド層を形成する段階を含む。さらに、この方法は、下側クラッド層を覆う下側光閉じ込めスタックを形成する段階を含む。この方法はさらに、約－０．１％～－０．５％の引張歪みを有することを特徴とする複数のバリア層によってそれぞれ隔てられた、約０．８％～１．２％の圧縮歪みを有することを特徴とする複数の井戸層を有する多重量子井戸ヘテロ構造を備えた活性層を形成する段階を含む。活性層は、下側光閉じ込めスタックを覆うように構成されている。さらに、この方法は、活性層を覆う上側光閉じ込めスタックを形成する段階を含み、上側光閉じ込めスタックは下側光閉じ込めスタックよりも薄く設定されている。この方法は、さらに、上側光閉じ込めスタックを覆う上側クラッド層を形成する段階を含む。さらに、この方法は、上側クラッド層を覆うｐ型コンタクト層を形成する段階を含む。本実施形態では、下側光閉じ込めスタックは、上側光閉じ込めスタックよりも大きな厚さで作られている。本実施形態では、活性層は、１ｍｍ長のキャビティデバイスの使用時に利得媒体を提供するために、最適化された閉じ込め係数比１．２７＋／－０．１５（１／μｍ）、利得パラメータ１５＋／－５（１／ｃｍ）で構成されている。

本発明は、チューナブルレーザ用の半導体光増幅器の既知の技術に照らして、これらの利点などを達成したものである。しかしながら、本発明の性質および利点の更なる理解を、本明細書の後半部分と添付の図面とを参照することによって実現することができる。

以下の図は単なる例示であり、本明細書の特許請求の範囲の範囲を不当に制限するものではない。当業者であれば、他の多くの変形例、修正例、代替案を認識するであろう。また、本明細書に記載されている例および実施形態は、単に例示を目的としたものであり、それを踏まえたさまざまな修正または変更が当業者に示唆され、本プロセスの精神および範囲、ならびに添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれることも理解される。

本発明の一実施形態による利得媒体を備えたＲＳＯＡを上面図と側面図との両方で示した概略図である。

本発明の一実施形態による利得媒体を備えたＳＯＡを上面図と側面図との両方で示した概略図である。

本発明の一実施形態によるチューナブルレーザ用途のためのＲＳＯＡ／ＳＯＡの利得媒体の簡略化したバンドギャップ図である。

本発明の一実施形態による、半導体光増幅器（ＳＯＡ）と組み合わせた反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）に基づくチューナブルレーザの概略図である。

本発明は、光通信技術に関するものである。本発明の一態様は、高出力高温用途のチューナブルレーザ用の半導体光増幅器（ＳＯＡ）および／または反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）の利得媒体構造を提供するものである。より詳細には、本発明は、より広いｎ側分離閉じ込めヘテロ構造、より狭い量子井戸、およびＳＯＡ／ＲＳＯＡで使用される最適化された活性層閉じ込め係数を有する利得媒体を提供するものであり、高速データ通信用途における広帯域波長可変レーザ用の高温での高飽和出力を有するが、他の用途も可能である。

以下の説明は、当業者が本発明を製造および使用し、特定の用途の文脈に組み込むことを可能にするために提示されている。さまざまな修正、および異なる用途での種々の使用は、当業者に容易に明らかであろう。また、本明細書で定義された一般原則は、広範囲の実施形態に適用することができる。このように、本発明は、提示された実施形態に限定されることを意図するものではなく、ここに開示された原則および新規の特徴に合致する最も広い範囲が与えられるべきである。

以下の詳細な説明では、本発明のより深い理解を提供するために、多数の具体的な内容を記載している。しかしながら、本発明は、必ずしもこれらの具体的な内容に限定されずに実施することができることは、当業者には明らかであろう。他の例では、本発明を不明瞭にしないために、周知の構造およびデバイスを詳細にではなく、ブロック図の形で示している。

読者の注意は、この明細書と同時に提出されかつこの明細書とともに公衆の閲覧に付されているすべての書類および文書に向けられており、このようなすべての書類および文書の内容は、参照により本明細書に組み込まれている。本明細書中に開示されているすべての特徴（添付の任意の請求項、要約書、および図面を含む）は、特に明示しない限り、同じ目的、同等の目的、または類似の目的を果たす代替の特徴で置き換えることができる。したがって、特に明示しない限り、開示された各機能は、同等または類似の特徴の一般的な系列の一例に過ぎない。

さらに、特定の機能を実行するための「手段」、または特定の機能を実行するための「段階」を明示していない請求項のいかなる要素も、米国特許法第１１２条第６パラグラフで規定されている「手段」または「段階」の条項とは解釈されない。特に、本明細書の特許請求の範囲における「～の段階」または「～の作用」の使用は、米国特許法第１１２条第６パラグラフの規定を引き合いに出すことを意図したものではない。

内側、外側、左、右、前、後ろ、上、下、端、正、逆、時計回り、および反時計回りという表示が使用される場合、便宜上使用されているものに過ぎず、いかなる特定の固定方向を意味することを意図したものではないことに留意されたい。その代わり、それらの表示は、対象のさまざまな部分の相対的な位置および／方向を反映するために使用される。

一態様では、本開示は、高温での高出力動作性を有するチューナブルレーザ用途の反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）および／または半導体光増幅器（ＳＯＡ）の利得媒体を提供するものである。図１は、本発明の一実施形態による利得媒体を備えたＲＳＯＡを上面図と側面図との両方で示した概略図である。本図は単なる例示であり、特許請求の範囲の範囲を不当に制限するものではない。当業者であれば、多くの変形例、代替案、および修正例を認識するであろう。パートＡ）に示すように、ＲＳＯＡの利得媒体１１０の上面図により、反射防止（ＡＲ）コーティングを施したフロントファセットと高反射（ＨＲ）コーティングを施したバックファセットとの間の光キャビティに線状の活性領域１１５が配置されていることが明らかになる。

利得媒体１１０がバイアス電流で駆動されると、活性領域１１５におけるキャリア誘導放出が、フロントファセットからのレーザ出力前に、フロントファセットとバックファセットとの間で発生する。誘導光放出は、光導波路として作用する活性領域１１５と共に伝達される。具体的には、この上面図では、線状の活性領域１１５は線状の導波路のように見え、ＡＲコーティングを施したフロントファセットと角度（α）のある交点を形成し、誘導光放出の大部分がそれ自身に反射しないようになっている。一方、線状の活性領域１１５は、ＨＲコーティングが施されたバックファセットに対して実質的に垂直であり、バックファセットからの誘導光放出の実質的な全反射を可能にしている。最終的には、活性領域１１５で発生した誘導光放出は、ＡＲコーティングを介してフロントファセットから出ていく。

図１のパートＢ）では、それは、活性領域１１５が多層構造の中央部分に活性層として現れた多層構造を示す主媒体１１０の側面断面図である。活性層１１５は、その上部のｐ型の上側分離型閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）と、下部のｎ型の下側ＳＣＨとで挟まれている。ｐ型の上側ＳＣＨとｎ型の下側ＳＣＨとは、活性層１１５とともに半導体ダイオードを形成し、この半導体ダイオードはは、ｐ型電極（図示せず）用の上側クラッド層と、下のｎ型電極（図示せず）用の下側クラッド層とでキャップされている。なお、単に上か下かという用語は、図の説明を参照したものであり、実際のデバイスの向きを１つの設定のみに限定するものではない。任意に、ウェハ基板上でこれらのヘテロ構造を製造する便宜上、下側クラッド層のｎ型電極を最初に基板０上に形成し、続いて図１のパートＢに示す利得媒体１１０の他の層を形成することができる。任意に、活性層１１５は、多重量子井戸構造である。動作波長スペクトルに応じて、１種もしくは複数の化合物半導体またはＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、およびＡｌＧａＩｎＡｓの組み合わせを含む、異なる半導体材料を用いて、多重量子井戸構造を持つ活性層に多層を形成することができる。任意に、活性層に含まれる各多層には、光増幅の性能を高めるために、例えばｎ型の電子不純物をドープすることができる。任意に、活性層１１５の周囲の半導体ダイオードは、利得媒体がＲＳＯＡのレーザ源となるために、フロントファセットとバックファセットとの間の光キャビティを備えたレーザダイオードとして構成される。任意に、ＲＳＯＡは、広帯域のチューナブルレーザ用途にも使用される。

図２は、本発明の一実施形態による利得媒体を備えたＳＯＡを上面図と側面図との両方で示した概略図である。本図は単なる例示であり、特許請求の範囲の範囲を不当に制限するものではない。当業者であれば、多くの変形例、代替案、および修正例を認識するであろう。一実施形態では、ＳＯＡ用の利得媒体は、図１で上述したＲＳＯＡ用の利得媒体と実質的に同じにすることができる。同様に、パートＡ）では、ＳＯＡの利得媒体１６０の上面図により、反射防止（ＡＲ）コーティングがいずれも施されたバックファセットとフロントファセットとの間のキャビティに線状の活性領域１６５が配置されていることが明らかになる。具体的には、線状の活性領域１６５は、光が最小の反射でバックファセットから利得媒体１６０の活性領域１６５に入り、活性領域１６５によって増幅され、反射せずにフロントファセットから出ることができるように、バックファセットと角度（α）のある交点と、フロントファセットと角度（β）のある交点を形成する。

図２のパートＢ）でも同様に、主媒体１６０の側面断面図により、図１のパートＢ）に示したものと実質的に同じである、活性領域１６５が多層構造の中央部分に活性層として示されている多層構造が明らかになる。活性層１６５は、上部のＰ型上側ＳＣＨと下部のＮ型ＳＣＨとで挟まれており、それによって、上部の上側クラッド層上にｐ型電極（図示せず）と、下部の下側クラッド層の下にｎ型電極（図示せず）とを有する半導体ダイオードを形成している。なお、単に上か下かという用語は、図の説明を参照したものであり、実際のデバイスの向きを１つの設定のみに限定するものではない。任意に、活性層１６５は、多重量子井戸構造である。動作波長スペクトルに応じて、１種もしくは複数の化合物半導体、またはＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、およびＡｌＧａＩｎＡｓの組み合わせを含む、異なる半導体材料を用いて、多重量子井戸構造を持つ活性層に多層を形成することができる。任意に、活性層に含まれる各多層には、光増幅の性能を高めるために、例えばｎ型の電子不純物をドープすることができる。任意に、Ｐ型ＳＣＨは、Ｐ型不純物でドープされた多層光閉じ込め構造を含む。任意に、Ｎ型ＳＣＨは、Ｎ型多層光閉じ込め構造を含む。任意に、ｐ型ＳＣＨとｎ型ＳＣＨとで挟まれた活性層１６５によって形成された半導体ダイオードは、ＡＲコーティングが施されたバックファセットとＡＲコーティングが施されたフロントファセットとの間に光キャビティを持つレーザダイオードとして構成され、ＳＯＡに使用される。

特定の実施形態では、ＲＳＯＡとＳＯＡとの両方に多重量子井戸構造の活性層を有する利得媒体は、高温で動作する高出力チューナブルレーザ用の高飽和出力電力をもたらすように構成されている。理論的には、図１および図２に示すような活性層を有する利得媒体の飽和出力電力Ｐ_ｓａｔは、以下のように表すことができる。

式（１）において、ｄは利得媒体の活性層の厚さ、ｗは活性層の幅、Γは光閉じ込め係数、ａは微分利得、τ_ｓはキャリア寿命である。飽和出力電力Ｐ_ｓａｔを高めるためには、従来の手法には、活性層の幅ｗを大きくしたり、光閉じ込め係数Γを小さくしたり（もしくはｄ／Γの比率を大きくしたり）することが含まれていた。閉じ込め係数の低下または活性層の幅の増加は、利得媒体の利得を低下させることにもなる。（ＳＯＡ／ＲＳＯＡ）デバイスのより高い利得を得るためには、通常、より高い飽和出力電力を達成するのに、より長いキャビティ長とより高い動作電流とが必要である。しかしながら、ほとんどの場合、高い動作電流は高温動作のデバイスには推奨されない。

本開示では、適度に高い利得で高い飽和出力Ｐ_ｓａｔを有するＳＯＡ（またはＲＳＯＡ）に使用される改善された利得媒体には、変調されたｎ型ドーピングの活性層と、キャリア寿命τ_ｓおよび微分利得ａを低下させるために最適化された光閉じ込め係数Γとが備わっている。これにより、高出力チューナブルレーザ用途のＳＯＡまたはＲＳＯＡに非常に適した利得媒体になる。

本実施形態では、利得媒体は、多重量子井戸構造として構成された活性層を含む多層ヘテロ構造である。任意に、活性層は、ｎ型電子不純物で変調されたドーピングを含む。任意に、活性層はアンドープである。活性層の多重量子井戸構造は、それぞれのバリア層で隔てられた複数の井戸層を含むヘテロ接合構造として提供される。本実施形態では、これらの井戸層およびバリア層の特定の材料の選択、ならびに厚さおよびドーピング特性などの物理的パラメータは、例えば、広帯域（ＣバンドまたはＯバンド）波長で動作するチューナブルレーザ用のＲＳＯＡまたはＳＯＡの用途に適合した特定の光スペクトル範囲を提供するために、活性層の多重井戸構造内で異なるバンドギャップおよび誘導光放出の発振特性をもたらすように設計されている。

図３は、本発明の一実施形態によるチューナブルレーザ用途のためのＲＳＯＡ／ＳＯＡの利得媒体の簡略化したバンドギャップ図である。本図は単なる例示であり、特許請求の範囲の範囲を不当に制限するものではない。当業者であれば、多くの変形例、代替案、および修正例を認識するであろう。図示されているように、利得媒体構造の断面プロファイルは、ｐ型コンタクト層１４までの基板０上に、上側クラッド、上側光閉じ込めスタック、活性層、下側光閉じ込めスタック、および下側クラッドを含む多層が直列に形成された物理的なスタックで示されている。基板０上に形成された第１の層は、下側クラッドレーザ１に続いて、層２および層３を含む下側光閉じ込めスタックであり、これにより、図１および図２に示す下側分離閉じ込めヘテロ構造（下側ＳＣＨ）が形成される。さらに、下側光閉じ込めスタックと上側光閉じ込めスタックとの間には、それぞれのバリア層４、６、８、および１０で隔てられた複数の井戸層５、７、９を含む多重量子井戸構造が形成され、これにより、図１の活性層１１５または図３の活性層１６５が形成される。さらに、上側光閉じ込めスタックは、活性層の上に形成された層１１および１２を含み、これにより、図１および図２に示す上側分離閉じ込めヘテロ構造（上側ＳＣＨ）が形成される。最後に、上側クラッド層１３が形成され、その上にｐ型コンタクト層１４を追加することができる。

図３を参照すると、活性層は上側光閉じ込めスタックと下側光閉じ込めスタックとの間に配置されている。任意に、活性層には、１種もしくは複数の化合物半導体、またはＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、およびＡｌＧａＩｎＡｓの組み合わせを含む、異なる半導体材料によって作られたいくつかの井戸層およびバリア層が含まれる。特定の実施形態では、活性層の井戸層５、７、９は、それぞれ５＋／－１ｎｍの狭い厚さを有するＧａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ_ｙＰ_１－ｙ系の化合物半導体材料によって提供される。井戸層の組成ｘ，ｙを調整することによって、チューナブルレーザ用のＳＯＡまたはＲＳＯＡのバンド幅を決定するための圧縮歪みレベル（例えば、約０．８％～１．２％）とフォトルミネッセンス波長約１５７０＋／－５ｎｍとを達成することができる。本実施形態では、活性層のバリア層４、６、８、１０もＧａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ_ｙＰ_１－ｙ系材料である。各バリア層は１０＋／－２ｎｍの厚さを有し、バリアの高さは１．２５＋／－０．０５ｍである。バリア層の組成ｘ，ｙを調整することによって、引張歪みレベル（例えば、約－０．１％～－０．５％）とフォトルミネッセンス波長約１２００～１３００ｎｍとを達成することができ、活性層内でのキャリア分布をより均一にし、キャリア寿命をより短くすることが可能になる。図３を参照すると、断面プロファイルはバンドギャッププロファイルとしても示されており、井戸層はより小さいフォトルミネッセンス波長値に対応する最小のバンドギャップに関連付けられている。バリア層は、フォトルミネッセンスの長波長値に対応する比較的大きなバンドギャップに関連付けられている。

任意に、活性層はアンドープである。任意に、活性層、特に井戸層とバリア層とは、ｎ型電子不純物を約１ｅ１８ｃｍ^－３～３ｅ１８ｃｍ^－３でドープして変調させ、キャリア寿命τ_ｓおよび微分利得ａを低下させることで、そこで発生する光放出の飽和出力電力を向上させる。さらに、活性層のより狭い量子井戸を有する設計では、閉じ込め係数Γが小さくなるため、飽和出力電力を低下させることができる（数式（１）を参照）。量子井戸層を増やすことで、活性層の総厚さｄを増やし、閉じ込め係数比Γ／ｄを小さくして出力電力を向上させることができる。任意に、井戸層の数は４つ以上にすることができる。２つの厚さを大きくすることで閉じ込め係数を小さくするようにすることができる。閉じ込め係数比Γ／ｄは、ＲＯＳＡまたはＳＯＡに適用される利得媒体に対して適切である必要がある。小さすぎると、ＳＯＡでは利得が低くなり、ＲＳＯＡでは閾値電流が高くなる。大きすぎると、飽和出力が小さくなってしまうことになる。閉じ込め係数比Γ／ｄの適切な値は、用途で使用されるキャビティ長に依存していた。ＲＳＯＡまたはＳＯＡのいずれかのデバイスで、キャビティ長が１ｍｍの用途の場合、閉じ込め係数比Γ／ｄの最適値は１．２７＋／－０．１５（１／μｍ）となる。これに伴い、デバイスの最適化された利得パラメータＧ_０は１５＋／－５ｃｍ^－１となり得る。

特定の実施形態では、層２および３を含む下側光閉じ込めスタックは、ＩｎＧａＡｓＰ系材料によって作られている。層２は約５０＋／－１０ｎｍの厚さで、層３は約１０＋／－２ｎｍの厚さで設計されている。図３を参照すると、下側光閉じ込めスタックの物理的パラメータ（材料組成、厚さ、およびドーピングレベル）を調整することで、活性層の上に段階的にどんどん高くなるバンドギャップを与えることができる。層３のバンドギャップはバリア層４よりも高く、層２のバンドギャップは層３よりもさらに高くなっている。任意に、下側光閉じ込めスタックはアンドープである。任意に、下側光閉じ込めスタックをｎ型不純物でドープして、ｎ型の下側クラッド層の隣にｎ側分離閉じ込めヘテロ構造を形成する。ｎ側分離閉じ込めヘテロ構造の設計は、フリーキャリアの吸収を低減して、利得媒体の下部から活性層内の光励起を効果的に閉じ込めることができるように、ｎ側により多くのモードを有することになっている。同様に、層１１および１２を含む上側光閉じ込めスタックは、ＩｎＧａＡｓＰ系の材料で作られている。層１１は、バリア層１０と同様に１０＋／－２ｎｍの厚さで設計されているが、バンドギャップが大きいか、またはフォトルミネッセンスの波長が短い（約１２００ｎｍ）。層１２は、約２０＋／－５ｎｍのより大きな厚さとし、バンドギャップをさらにより大きくするか、またはフォトルミネッセンスの波長を短くした（約１１００ｎｍ）設計で、利得媒体の上部に光閉じ込め効果を提供している。

層２の下には、任意にｎ型ドーピングレベル＞１ｅ１８ｃｍ^－３のＩｎＰウェハでもある基板０の上に形成された約１０００ｎｍの厚さのＩｎＰ系材料によって作られた下側クラッド層１がある。任意に、下側クラッド層１は、約１ｅ１８ｃｍ^－３のレベルでｎ型にドープされる。任意に、基板０の上の下側クラッド層１の下にｎ型金属を形成したり、基板０の下に形成して電極コンタクトを形成したりしてもよい。層１２の上には、約２３００ｎｍの厚さのＩｎＰ系材料によっても作られている上側クラッド層１３がある。上側クラッド層１３は、１ｅ１８ｃｍ^－３のレベルでｐ型不純物によりドープされる。任意に、ＩｎＧａＡｓに基づく上部電気コンタクト層１４が上側クラッド層１３の上に形成される。任意に、上部電気コンタクト層１４は、約３００ｎｍの厚さで、ｐ型ドーピングレベル＞１ｅ１９ｃｍ^－３で設計されている。

本開示の別の態様では、上記で説明した利得媒体は、チューナブルレーザ用途のために、ＡＲフロントファセットとＨＲバックファセットとを有する反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）、またはフロントファセットとバックファセットとの両方にＡＲコーティングを施した半導体光増幅器を形成するように構成されている。図４は、本発明の一実施形態による、半導体光増幅器（ＳＯＡ）と組み合わせた反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）に基づくチューナブルレーザの概略図である。この図は単なる例示であり、特許請求の範囲の範囲を不当に制限するものではない。当業者であれば、多くの変形例、代替案、および修正例を認識するであろう。図示されているように、チューナブルレーザモジュール１００は、シリコンフォトニクス基板１０００上の第１の利得媒体１１０を備え、誘導光放出を発生させるＲＳＯＡと、シリコンフォトニクス基板１０に形成され、ＲＳＯＡに結合されて、誘導光放出に基づきチューニングされた広帯域の反射光を受信する波長チューナ１７０と、シリコンフォトニクス基板１０００に形成され、波長チューナ１７０に結合されて、光の波長をロックする波長ロッカ１８０と、波長ロッカに結合されて、単一の電力増幅で光を通過させる、出力経路に第２の利得媒体１６０を備えたＳＯＡと、を含む。

任意に、ＲＳＯＡの第１の利得媒体１１０は、シリコンフォトニクス基板１０００の上に接合されたフリップチップである。このチップは、バックファセット１０１からフロントファセット１０２までの光キャビティ長Ｌ全体にわたって導波路として構成されたクラッド領域に、光閉じ込めヘテロ構造によってキャップされた活性領域１１５を含み、その中で誘導放出またはレーザ光が生成される。フロントファセット１０２は、第１の反射率Ｒｆを有することを特徴とし、バックファセット１０１は、第２の反射率Ｒｂを有することを特徴とする。任意に、第１の反射率Ｒｆは、フロントファセット１０２の上の反射防止コーティングによって提供される、非常に低い値、例えば０．００５％である。任意に、第２の反射率Ｒｂは、バックファセット１０１の上の高反射性コーティングによって提供される、非常に高い値、例えば９０％超である。任意に、導波路形態の活性領域１１５は、それによる光の直接的な後方反射を低減するために（図１に見られるように）フロントファセット１０２に対して非垂直な角度αを持つが、反射を最大化するためにバックファセット１０１に対して実質的に垂直な角度を持つ曲線形状になるように構成されている。レーザ光は、バックファセット１０１によって反射され、フロントファセット１０２からカプラ１３０を介して第１の導波路１９１に出射される。第１の導波路１９１を介して、レーザ光は波長チューナ１７０に送り出される。高出力動作のチューナブルレーザ用の一実施形態では、ＲＳＯＡの第１の利得媒体１１０は、設計上、高温で高い飽和出力Ｐ_ｓａｔが得られるように、レーザダイオードチップに構成されている。高い飽和出力とは、ＲＳＯＡが高い安定したレーザ出力を生み出すように構成されていることを意味する。しかしながら、より高い飽和出力は、１５ｄＢｍ超の飽和出力で約５０℃の高温時に動作させる目的で利得を十分に高く維持するために、より短いキャビティで低い駆動電流を使用することによって達成することができる。

図４を参照すると、レーザ光は、波長チューナ１７０および波長ロッカ１８０を通過した後、その波長が広帯域スペクトル（Ｃバンドなど）の特定の値にロックされた状態で、ＳＯＡの入力カプラ１５０を介して入力され、そこでさらに電力増幅された後、出力カプラ１４０を介して出力される。任意に、ＳＯＡの第２の利得媒体１６０は、シリコンフォトニクス基板１０００の上に接合された別のフリップチップである。利得媒体１６０は、入力カプラ１５０に結合されたバックファセット１４２と、出力カプラ１４０に結合されたフロントファセット１４１とから増幅キャビティを介して長さＬで延在した導波路として構成されたクラッド領域でキャップされた利得領域１６５を含む。本実施形態では、フロントファセット１４１は、第１の反射率Ｒｆを有することを特徴とし、バックファセット１４２は、第２の反射率Ｒｂを有することを特徴とする。任意に、バックファセット１４２とフロントファセット１４１との両方は、光が一度通過して電力増幅されることを可能にする対称的な半導体光増幅器を形成するために、第１の反射率Ｒｆおよび第２の反射率Ｒｂの非常に低い値、例えば０．００５％を与えるために、反射防止コーティングによってコーティングされる。任意に、導波路形態の活性領域１６５は、それによる光の直接的な後方反射を低減するために、バックファセット１４２またはフロントファセット１４１のいずれかに対して非垂直な角度を有する曲線形状になるように構成されている。入力カプラ１５０からバックファセット１４２を介して受信したこの光は、単にキャビティの長さＬを通過し、そこで増幅された後に、フロントファセット１４１を介して出力される。

高出力動作のチューナブルレーザ用のＲＳＯＡ／ＳＯＡの一実施形態では、ＲＳＯＡの第１の利得媒体１１０は、設計上、高温で高い飽和出力Ｐ_ｓａｔをもたらすレーザダイオードチップとして構成されている。高い飽和出力とは、ＲＳＯＡが高い安定したレーザ出力を生み出すように構成されていることを意味する。しかしながら、より高い飽和出力は、１５ｄＢｍ超の飽和出力で約５０℃の高温時に動作させる目的で利得を十分に高く維持するために、より短いキャビティ（約１ｍｍ）で低い駆動電流を使用することによって達成することができる。本実施形態では、ＳＯＡの第２の利得媒体１６０は、設計上、高飽和出力電力Ｐ_ｓａｔ＞１５ｄＢｍをもたらすように、つまり、約５０℃の高温時に高い増幅された最大出力電力を有するように、チップ内に構成することもできる。

本実施形態では、より高い飽和出力を達成するために微分利得を増加させずに、閉じ込め係数をより小さくしてキャリア寿命を短くしたＲＳＯＡまたはＳＯＡ用のチップを作るために、利得媒体に狭い（５＋／－２ｎｍ）井戸の多重量子井戸構造を備えた、変調されたｎ型ドープ活性層スタックが設けられている［数式（１）を参照］。また、活性層のバリア材料であるＧａＩｎＡｓＰを、１２００ｎｍ～１３００ｎｍでフォトルミネッセンスを発生させるように調整することで、活性層内のキャリア分布をより均一にし、キャリア寿命をより短くすることが可能になる。同時に、変調されたｎ型ドープ活性層スタックを含む利得媒体の利得パラメータは、ＲＳＯＡまたはＳＯＡデバイスが、小さな（～１ｍｍ）キャビティ長でより低い注入電流で動作するように、約１５＋／－５ｃｍ^－１と十分に高く保たれている。最適化された活性層の閉じ込め係数（Γ／ｄ）は１．２７＋／－０．１５（１／ｍ）に制限されているため、５０℃の高温またはそれよりも高い温度でも動作することができる。

上記は特定の実施形態の完全な説明であるが、さまざまな修正、代替的な構造および同等物を使用することができる。したがって、上記の説明および図解は、添付の請求項によって定義される本発明の範囲を限定するものとみなされるべきではない。したがって、上記の説明および図は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲を限定するものとみなされるべきではない。
他の可能な請求項
１．
高出力動作の半導体光増幅器の利得媒体であって、
ｎ型ドーピングが施された基板と、
前記基板を覆って形成された下側クラッド層と、
前記下側クラッド層を覆う下側光閉じ込めスタックと、
約－０．１％～－０．５％の引張歪みを有することを特徴とする複数のバリア層でそれぞれ隔てられた約０．８％～１．２％の圧縮歪みを有することを特徴とする複数の井戸層を有する多重量子井戸ヘテロ構造を備えた活性層であって、前記下側光閉じ込めスタックを覆う前記活性層と、
前記活性層を覆う上側光閉じ込めスタックであって、前記下側光閉じ込めスタックよりも薄く設定されている前記上側光閉じ込めスタックと、
前記上側光閉じ込めスタックを覆う上側クラッド層と、
前記上側クラッド層を覆うｐ型コンタクト層と
を備える、利得媒体。
２．
前記多重量子井戸ヘテロ構造が、５～７層のバリア層によってそれぞれ分離または境界画定付けられた３～５層の井戸層を備え、各井戸層が約５±１ｎｍの井戸厚さを有し、各バリア層が約１０±２ｎｍのバリア厚さを有する、請求項１に記載の利得媒体。
３．
前記活性層が、フロントファセットとバックファセットとの間に約１ｍｍのキャビティ長が設けられた多重量子井戸ヘテロ構造に基づき最適化された約１．２７±０．１５μｍ^－１の閉じ込め係数比を有することを特徴とする、請求項２に記載の利得媒体。
４．
前記利得パラメータが、約１５±５ｃｍ^－１の利得媒体を有することを特徴とする、請求項３に記載の利得媒体。
５．
前記利得媒体が、前記フロントファセットに反射防止コーティングでコーティングし、前記バックファセットに高反射性コーティングをコーティングして、最大５０℃の動作温度で少なくとも１５ｄＢｍ超の飽和出力を発生させることができる反射型半導体光増幅器を形成するように構成されている、請求項４に記載の利得媒体。
６．前記利得媒体が、前記フロントファセットと前記バックファセットとの両方に反射防止コーティングでコーティングして、最大５０℃の動作温度で少なくとも１５ｄＢｍ超の飽和出力を発生させることができる半導体光増幅器を形成するように構成されている、請求項４に記載の利得媒体。
７．
各井戸層が、約１５７０±５ｎｍのフォトルミネッセンスを発生させるように最適化された相対的な組成を有するＩｎＧａＡｓＰ材料から作られている、請求項２に記載の利得媒体。
８．
各バリア層が、約１２００～１３００ｎｍのフォトルミネッセンスを発生させて、前記活性層内でキャリアをより均一に分布させるように最適化された相対的な組成を有するＩｎＧａＡｓＰ材料から作られている、請求項７に記載の利得媒体。
９．
各バリア層が、１．０×１０^１８ｃｍ^－３～３．０×１０^１８ｃｍ^－３のｎ型ドーパント濃度範囲で、バリア厚さよりも約２ｎｍ狭い変調ドーピング領域を備えている、請求項２に記載の利得媒体。
１０．
各バリア層が非ドープである、請求項２の利得媒体。
１１．
前記下側光閉じ込めスタックが、前記上側光閉じ込めスタックの厚さよりも全体の厚さが大きくなるように構成されている、請求項１に記載の利得媒体。
１２．
前記下側光閉じ込めスタックが、前記下側クラッド層を覆う第１の下側光閉じ込め層と、前記下側クラッド層のより遠位にある前記第１の下側光閉じ込め層の面を覆う第２の下側光閉じ込め層とを有する、第１の分離閉じ込めヘテロ構造を備えている、請求項１に記載の利得媒体。
１３．
前記第１の下側光閉じ込め層が、約５０ｎｍの厚さと、約１１００ｎｍのフォトルミネッセンスを発生させるように最適化された相対的な組成とを有するＩｎＧａＡｓＰ材料で作られており、前記第２の下側光閉じ込め層が、約１０ｎｍの厚さと、約１２００ｎｍのフォトルミネッセンスを発生させるように最適化された相対的な組成とを有するＩｎＧａＡｓＰ材料で作られている、請求項１２に記載の利得媒体。
１４．
前記上側光閉じ込めスタックが、前記活性層のバリア層を覆う第１の上側光閉じ込め層と、前記活性層のより遠位にある前記第１の上側光閉じ込め層の面を覆う第２の上側光閉じ込め層とを有する、第２の分離閉じ込めヘテロ構造を備えている、請求項１に記載の利得媒体。
１５．
前記第１の上側光閉じ込め層が、約１０ｎｍの厚さと、約１２００ｎｍのフォトルミネッセンスを発生させるように最適化された相対的な組成とを有するＩｎＧａＡｓＰ材料で作られており、前記第２の上側光閉じ込め層が、約２０ｎｍの厚さと、約１１００ｎｍのフォトルミネッセンスを発生させるように最適化された相対的な組成とを有するＩｎＧａＡｓＰ材料で作られている、請求項１に記載の利得媒体。
１６．
前記下側クラッド層が、約１μｍの厚さを有しかつ１．０×１０^１８ｃｍ^－３でｎ型ドープされたＩｎＰ材料で作られている、請求項１に記載の利得媒体です。
１７．
上側クラッド層が、約２．３μｍの厚さを有しかつ１．０×１０^１８ｃｍ^－３でｐ型ドープされたＩｎＰ材料で作られている、請求項１に記載の利得媒体。
１８．
前記基板が、１．０×１０^１８ｃｍ^－３超のｎ型ドーピングされたＩｎＰウェハで作られている、請求項１に記載の利得媒体。
１９．
前記ｐ型コンタクト層が、約３００ｎｍの厚さを有しかつ２×１０^１９ｃｍ^－３超のｐ型ドーピングされたＩｎＧａＡｓ材料で作られている、請求項１に記載の利得媒体です。
２０．
高出力動作の半導体光増幅器の利得媒体を形成する方法であって、前記方法は、
ｎ型ドーピングが施された基板を提供する段階と、
前記基板を覆って形成された下側クラッド層を形成する段階と、
前記下側クラッド層を覆う下側光閉じ込めスタックを形成する段階と、
約－０．１％～－０．５％の引張歪みを有することを特徴とする複数のバリア層でそれぞれ隔てられた約０．８％～１．２％の圧縮歪みを有することを特徴とする複数の井戸層を有する多重量子井戸ヘテロ構造を備えた活性層であって、前記下側光閉じ込めスタックを覆う前記活性層を形成する段階と、
前記活性層を覆う上側光閉じ込めスタックであって、前記下側光閉じ込めスタックよりも薄く設定されている前記上側光閉じ込めスタックを形成する段階と、
前記上側光閉じ込めスタックを覆う上側クラッド層を形成する段階と、
前記上側クラッド層を覆うｐ型コンタクト層を形成する段階と
を含み、
前記下側光閉じ込めスタックは、前記上側光閉じ込めスタックよりも大きな厚さで作られており、
前記活性層は、１ｍｍ長のキャビティデバイスを使用して前記利得媒体を提供するために、最適化された閉じ込め係数比１．２７＋／－０．１５（１／μｍ）および利得パラメータ１５＋／－５（１／ｃｍ）で構成されている、方法。

Claims (20)

1. 光増幅器であって、
   電磁放射を発生させるように構成された活性層と、
   前記活性層の第１の面に配置された第１の光閉じ込め層と、
   前記活性層の第２の面に配置された第２の光閉じ込め層であって、前記第２の光閉じ込め層は、前記第１の光閉じ込め層とは異なる厚さを有し、前記第１の光閉じ込め層および前記第２の光閉じ込め層のそれぞれの前記異なる厚さは、前記活性層の光閉じ込め係数を減少させ、前記活性層の飽和出力電力を増加させるように構成されている、前記第２の光閉じ込め層と
   を備える、光増幅器。
2. 前記活性層ならびに前記第１の光閉じ込め層および前記第２の光閉じ込め層が異なる半導体材料で形成されている、請求項１に記載の光増幅器。
3. 前記活性層がＧａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ_ｙＰ_１－ｙを含み、前記第１の光閉じ込め層および前記第２の光閉じ込め層がＧａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ_ｙＰ_１－ｙを含み、前記第１の光閉じ込め層および前記第２の光閉じ込め層のｘおよびｙの値が、前記活性層のそれぞれの前記値と異なる、請求項２に記載の光増幅器。
4. 第１の厚さを有する前記第１の光閉じ込め層には、第１の種類のドーピングがドープされており、第２の厚さを有する前記第２の光閉じ込め層には、第２の種類のドーピングがドープされている、請求項１から３のいずれか一項に記載の光増幅器。
5. 前記第１の光閉じ込め層がｎ型ドーピングでドープされており、ｐ型ドーピングでドープされた前記第２の光閉じ込め層よりも厚い、請求項１から４のいずれか一項に記載の光増幅器。
6. 前記活性層が、バリア層で隔てられた複数の井戸層を有し、前記複数の井戸層および前記バリア層のそれぞれが複数の半導体材料を含み、前記複数の井戸層が前記バリア層と異なる厚さである、請求項１から５のいずれか一項に記載の光増幅器。
7. 前記複数の半導体材料がＧａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ_ｙＰ_１－ｙ系である、請求項６に記載の光増幅器。
8. 前記複数の井戸層が前記バリア層よりも薄い、請求項６または７に記載の光増幅器。
9. 前記複数の井戸層が前記バリア層に比べて小さいバンドギャップを有している、請求項６から８のいずれか一項に記載の光増幅器。
10. 前記複数の井戸層の各層がｎ型材料でドープされている、請求項６から９のいずれか一項に記載の光増幅器。
11. 前記バリア層の各層がｎ型材料でドープされている、請求項６から１０のいずれか一項に記載の光増幅器。
12. 前記第１の光閉じ込め層および前記第２の光閉じ込め層が、Ｇａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ_ｙＰ_１－ｙ系の半導体材料から作られた複数の層を有している、請求項１から１１のいずれか一項に記載の光増幅器。
13. 前記第１の光閉じ込め層および前記第２の光閉じ込め層における前記複数の層の各層が異なる厚さを有している、請求項１２に記載の光増幅器。
14. 前記第１の光閉じ込め層および前記第２の光閉じ込め層における前記複数の層のそれぞれが異なるバンドギャップを示す、請求項１２または１３に記載の光増幅器。
15. 前記第１の光閉じ込め層および前記第２の光閉じ込め層における前記複数の層のそれぞれが、前記活性層よりも高いバンドギャップを示す、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の光増幅器。
16. 前記第１の光閉じ込め層および前記第２の光閉じ込め層における前記複数の層のうち、連続した各層のバンドギャップが、前記活性層に対する前記連続した各層の距離とともに大きくなる、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の光増幅器。
17. 前記活性層ならびに前記第１の光閉じ込め層および前記第２の光閉じ込め層とは異なる半導体材料で作られた第１のクラッド層および第２のクラッド層をさらに備え、前記第１のクラッド層および前記第２のクラッド層が、前記第１の光閉じ込め層および前記第２の光閉じ込め層にそれぞれ隣接して配置されている、請求項１から１６のいずれか一項に記載の光増幅器。
18. 前記活性層がＧａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ_ｙＰ_１－ｙを含み、
    前記第１の光閉じ込め層および前記第２の光閉じ込め層がＧａ_ｘＩｎ_１－ｘＡｓ_ｙＰ_１－ｙを含み、前記第１の光閉じ込め層および前記第２の光閉じ込め層のｘおよびｙの値が、前記活性層のそれぞれの前記値と異なり、
    前記第１のクラッド層および前記第２のクラッド層がＩｎＰを含む、
    請求項１７に記載の光増幅器。
19. 前記第１のクラッド層が、第１の厚さと第１の種類のドーピングとを有し、前記第２のクラッド層が、第２の厚さと第２の種類のドーピングとを有する、請求項１７または１８に記載の光増幅器。
20. 前記第１のクラッド層がｎ型ドーピングでドープされており、ｐ型ドーピングでドープされた前記第２のクラッド層よりも薄い、請求項１７から１９のいずれか一項に記載の光増幅器。

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