JP2555955B2 - 半導体光増幅器およびその製造方法 - Google Patents

半導体光増幅器およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信や光交換方式な
どに用いられる半導体光増幅器およびその製造方法に関
する。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバ通信方式において、光増幅器
は伝送距離を長くする上で重要な役割を果たす。特に、
近年Ｅｒをコアにドープした光ファイバ増幅器の技術が
進み、励起光源の高出力化、高信頼化と相まって実用化
への進展が急ピッチとなっている。一方、半導体光増幅
器は光ファイバ増幅器と比べて小型、低消費電力で、か
つアレイ化が容易であることから、多チャンネル光伝送
系、あるいは光交換における光スイッチの損失補償等の
応用に特に重要である。
【０００３】半導体光増幅器としては利得が高いと同時
に、利得の偏波面依存性が小さく、かつ飽和光出力が高
いことが要求される。通常の埋め込み構造活性層を有す
る半導体光増幅器では、光の進行方向の垂直な断面での
活性層面積が一定であるため、光出射端面付近では光信
号が増幅されて光強度が高くなりそこでのキャリアの消
費が大きくなり、したがって利得の飽和をおこしやすく
なる。
【０００４】これに対し、特開平１−２６８０８４にお
いて、光の信号方向に垂直な断面での活性層面積を光入
射端面から光出射端面に向かって大きくした半導体光増
幅器が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
１−２６８０８４の半導体増幅器においても、光出射端
面側で活性層幅および厚さを大きくすると光のモード断
面積が小さくなることから飽和高出力は小さくなってし
まう。また活性層幅のみを大きくする場合には利得の偏
波面依存性が大きくなってしまう。すなわち利得が高
く、かつ利得の偏波面依存性が小さくて飽和光出力の高
い半導体光増幅器を得ることが困難であった。
【０００６】本発明の目的は、上述の点に立って、高利
得、高飽和光出力でかつ利得の偏波面依存性の小さな半
導体光増幅器およびその製造方法を提供することにあ
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明による半導体増幅
器は、半導体基板上に少なくとも活性層が形成され、光
入力側端面および光出力側端面に低反射膜が形成されな
る半導体光増幅器において、活性層のバンドギャップ波
長が光入射側端面よりも光出射側端面付近において短波
長となっていることを特徴とする。
【０００８】また、本発明による半導体光増幅器の製造
方法は、半導体層上に絶縁体マスクをパターニングする
工程と、前記マスクの領域以外の半導体層上に活性層を
含む半導体多層膜を選択的に形成する工程とを少なくと
も含む半導体光増幅器の製造方法において、前記絶縁体
マスクの幅を光入射端面付近よりも光出射端面付近にお
いて狭く形成する事を特徴とする。
【０００９】
【作用】半導体光増幅器の利得の偏波面依存性を低減す
るには、矩形に近い形状の活性層を形成し、ＴＥ、ＴＭ
モードに対する光閉じ込め係数を等しくすること、ある
いは引っ張り歪型の多重量子井戸活性層を導入すること
が有効である。一方飽和光出力は、通常の均一組性の活
性層の場合には、飽和光出力は（Ａ／ａ・τ）に比例す
ることが知られており（ここでＡは光のモード断面積、
ａは微分利得、τはキャリア寿命時間である。）、多重
量子井戸（ＭＱＷ）活性層を導入して光のモード断面積
を大きくすることが有効である。しかし、光出力飽和の
現象は、光出射側端面付近で光強度が強くなることによ
って、誘導放出によって多くのキャリアが消費され、し
たがってそこでのキャリア密度、すなわち利得が低減す
ることに起因する。その様子を図２（ｂ）に示す。図に
は光入射端面付近、光出射端面付近での利得スペクトル
を示している。端面反射率を十分に低減し、高レベルに
キャリアを注入すると、通常のレーザ発振のしきい値キ
ャリア密度に比べて３〜４倍、すなわち５〜６ｘ１０18
ｃｍ-3程度の高濃度にキャリアを注入する事ができる。
活性層中を光が増幅されながら進行していくと光出射端
面付近では光入射端面付近に比べてキャリア密度が低減
して、ピーク利得は低くなる。この際、図に示すように
利得ピーク波長は長波長側にシフトするため、信号光波
長での利得はさらに下がる。信号光波長を光入射側端面
付近での利得スペクトルｂ１の利得ピーク波長よりも長
波長側に設定しておけば光出射端面付近での利得値はあ
まり低減しないものの、素子全体での利得の低下を招い
てしまう。
【００１０】これに対して本発明のように、光出射端面
付近でのバンドギャップ波長を短波長側に設定しておけ
ば、利得スペクトルは図２（ａ）のようになり、ピーク
利得は若干低下するものの、信号光波長において十分高
い利得を維持し、したがって飽和光出力の高い半導体光
増幅器が期待できる。
【００１１】特に引っ張り歪型のＭＱＷ活性層を導入
し、同時に光出射端面付近での歪量を大きく設定すれ
ば、それによって利得スペクトルがより急峻になること
から、飽和光出力は大幅に向上することが期待される。
このような構造は本願の発明者らが見いだした選択的Ｍ
ＯＶＰＥ成長技術を用いることにより容易に形成するこ
とができる。
【００１２】
【実施例】以下図面を用いて本発明をより詳細に説明す
る。図１（ａ）は本発明の１実施例である半導体光増幅
器の斜視図であり、図１（ｂ）はその断面図である。図
１（ｂ）を用いて素子作製工程を説明する。まずｎ−Ｉ
ｎＰ基板１上にＳｉＯ2 絶縁膜マスク２を成膜し、長さ
５００μｍの１つの半導体光増幅器の内部で幅が６μｍ
から１５μｍまで除々に変化し、かつ中央部で幅０．８
μｍの間隔となるようにパターニングを行う。そのよう
なマスクを形成した基板上にマスク以外の領域にＭＯＶ
ＰＥ成長法を用いて選択的にｎ−ＩｎＰバッファ層３
（厚さ０．３μｍ）、中心発光波長１．３μｍ相当のノ
ンドープＩｎＧａＡｓＰ活性層４（厚さ０．２μｍ）、
ｐ−ＩｎＰクラッド層５（厚さ０．２μｍ）を順次積層
する。成長層の側面は（１１１）結晶面となり、側面の
荒れの少ない、清浄な面が形成される。この時の断面形
状は台形状となり、活性層の幅は中央部で約０．４μｍ
となった。活性層、クラッド層を成長した後、成長した
領域の側部のマスクを両側で幅２μｍ程度エッチングに
よって除去し、活性層を含みメサ構造を覆うようにｐ−
ＩｎＰ埋め込み層６（メサ上部で厚さ１μｍ），発光波
長組成１．２μｍ相当のｐ−ＩｎＧａＡｓＰ電極層７
（メサ上部で厚さ０．５μｍ）を成長する。図において
マスクの外側の領域にも結晶が成長するが、その部分に
はオーミック電極は形成しない。
【００１３】活性層を選択的に結晶成長する際、マスク
の広い部分ではＩｎの取り込みが大きくなるため、中央
部に成長するＩｎＧａＡｓＰ層のバンドギャップ波長が
長くなることが知らされている（例えば特開平４−１０
５３８３）。この実施例においてはマスク幅６μｍの領
域とマスク幅１５μｍの領域でのバンドギャップ波長は
それぞれ１３２５ｎｍ，１３５０ｎｍであった。
【００１４】このように成長を行った素子にｐ側、ｎ側
の電極を形成し、素子長５００μｍに切り出し、両端面
に無反射膜を形成して、所望の半導体光増幅器を得た。
この素子に１２０ｍＡの電流を注入したところ、信号利
得２７ｄＢ，偏波による利得差１ｄＢ以内と優れた特性
を得た。また飽和光出力は＋１２ｄＢｍが得られ、活性
層のバンドギャップ組成を均一に形成した同様の素子で
の飽和光出力は＋８ｄＢｍであり、４ｄＢの改善が図ら
れた。
【００１５】また他の実施例として活性層に引っ張り歪
ＭＱＷ構造を導入した半導体光増幅器を試作した。活性
層として１．３８μｍ組成相当のＩｎＧａＡｓＰウェル
層（厚さ８ｎｍ）５層、発光波長１．１０μｍ相当のＩ
ｎＧａＡａＰバリア層（厚さ６ｎｍ）を積層した。この
際、ウェル層は、光入射端面付近では−１．０％の歪
量、光出射端面付近では−１．４％の歪量となるように
成長を行った。この時、バンドギャップ波長はそれぞれ
１３２０ｎｍ，１３４５ｎｍであった。活性層の幅は
１．５μｍとしたが、引っ張り歪ＭＱＷ活性層ではＴＭ
モードに対する利得がＴＥモードに対するよりも大き
く、光閉じ込め係数の差を打ち消すため、偏光無依存型
の半導体光増幅器が実現できる。他の素子作製工程は上
述の実施例と同様とした。このような素子で、素子長５
００μｍに切り出して特性を評価したところ、信号利得
２９ｄＢ，偏波による利得差１ｄＢ以内で、飽和光出力
＋１５ｄＢｍ、雑音指数４．８ｄＢと優れた特性が得ら
れた。
【００１６】なお本発明の実施例においてはＩｎＰを基
板、ＩｎＧａＡｓＰを活性層とする材料系を示したが、
用いる材料系はこれに限るものではなく、ＧａＡｓ系な
ど、他の半導体材料系を用いてなんら差し支えない。さ
らに実施例では活性層としてバルク活性層、および引っ
張り歪ＭＱＷ活性層の素子を示したが、これらに限るも
のではなく、通常の無歪ＭＱＷ構造や、圧縮歪ＭＱＷ構
造を用いてなんら差し支えない。さらに端面反射率低減
のため、ＡＲコート膜を形成したが、半導体で端面を埋
め込む窓端面構造を採用しても良い。
【００１７】
【発明の効果】以上のように、本発明による半導体光増
幅器およびその製造方法方によれば、信号光強度が大き
くなる光出射端面付近でのバンドギャップ波長を、光入
射端面付近でのそれに比べて短波長側に設定するため、
大量にキャリアが消費された状態でも信号光波長におい
て高い利得を維持できる。したがって、高利得で、飽和
光出力の高い、高性能な半導体光増幅器およびその製造
方法が得られる。もちろん利得の偏波依存性を十分に低
減することも容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の１実施例の半導体光増幅器の
斜視図，（ｂ）はその断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の光増幅器の光入射端面付近お
よび光出射端面付近での利得スペトル、（ｂ）は従来例
の光増幅器の利得スペクトルである。
【符号の説明】
１ 基板 ２ 絶縁膜マスク ３ バッファ層 ４ 活性層 ５ クラッド層 ６ 埋め込み層 ７ 電極

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基板上に少なくとも活性層が形成
    され、光入力側端面および光出力側端面に低反射膜が形
    成されなる半導体光増幅器において、活性層のバンドギ
    ャップ波長が光入射側端面よりも光出射側端面付近にお
    いて短波長となっていることを特徴とする半導体光増幅
    器。
  2. 【請求項２】 前記活性層が多重量子井戸構造からなる
    ことを特徴とする請求項１記載の半導体光増幅器。
  3. 【請求項３】 前記活性層が引っ張り歪型の多重量子井
    戸構造からなり、光入射端面付近よりも光出射端面付近
    において歪量が大きいことを特徴とする請求項１記載の
    半導体光増幅器。
  4. 【請求項４】 半導体層上に絶縁体マスクをパターニン
    グする工程と、前記マスクの領域以外の半導体層上に活
    性層を含む半導体多層膜を選択的に形成する工程とを少
    なくとも含む半導体光増幅器の製造方法において、前記
    絶縁体マスクの幅を光入射端面付近よりも光出射端面付
    近において狭く形成する事を特徴とする半導体光増幅器
    の製造方法。
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