JP2995972B2 - 半導体光アンプ - Google Patents

半導体光アンプ

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JP2995972B2 JP34213491A JP34213491A JP2995972B2 JP 2995972 B2 JP2995972 B2 JP 2995972B2 JP 34213491 A JP34213491 A JP 34213491A JP 34213491 A JP34213491 A JP 34213491A JP 2995972 B2 JP2995972 B2 JP 2995972B2
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宏明 藤井
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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、TE偏波光あるいはT
M偏波光を選択的に増幅するフィルタ機能を有する半導
体光アンプに関する。
【0002】
【従来の技術】現在、半導体光アンプは、光通信用の中
継器として盛んに研究されている。その長所として、
1.3μm帯の増幅が可能なこと、低消費電力であるこ
と等があり、加入者系用の光アンプとして期待されてい
る。また、その特性も素子のネットゲインとして20d
B程度が得られている。また、プラスティックファイバ
の低損失帯である0.6μm帯での半導体光アンプに関
しては、0.6μm帯での光通信市場が立ち上がってい
ないこともあって報告されていない。以上述べたよう
に、現状は半導体光アンプの主な用途としては、光通信
の分野に限られているが、今後半導体光アンプの特性が
向上するにつれ、光計測、SHG光源への応用等種々の
用途が開拓されることが見込まれる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現状実
現されている半導体光アンプにおいては、偏光特性を積
極的に制御し利用とする試みはなされていない。このた
め、実現されれば多くの需要を生み出すであろう偏光特
性のフィルタ機能、すなわちTE偏波のみ、あるいはT
M偏波のみ増幅する機能については実現されていない。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明の第1の構成は、
(001)半導体基板上に、[-1 1 1]または[1 -1
1]方向に秩序状態を有するバルク活性層を備えた半導
体光アンプにおいて、光導波路を[-1 1 0]または[1
-1 0]方向に形成したことを特徴とする。また本発明の
第2の構成は、(001)半導体基板上に、[-1 1 1]
または[1 -1 1]方向に秩序状態を有する量子井戸構造
活性層を備えた半導体光アンプにおいて、光導波路を
[-1 1 0]または[1 -1 0]方向に形成したことを特徴
とする。また、本発明の第3の構成は、(001)半導
体基板上に、[-1 1 1]または[1 -11]方向に秩序状
態を有する量子井戸構造活性層を備えた半導体光アンプ
において、該量子井戸構造活性層の井戸層は面内圧縮歪
を受けており、かつ光導波路を[-1 1 0]または[1 -1
0]方向に形成したことを特徴とする。また、本発明の
第4の構成は、(001)半導体基板上に、[-1 1 1]
または[1 -1 1]方向に秩序状態を有するバルク活性層
を備えた半導体光アンプにおいて、光導波路を[1 1 0
]または[-1 -1 0 ]方向に形成したことを特徴とす
る。また、本発明の第5の構成は、(001)半導体基
板上に、[-1 1 1]または[1 -1 1]方向に秩序状態を
有する量子井戸構造活性層を備えた半導体光アンプにお
いて、該量子井戸構造活性層の井戸層は面内引っ張り歪
を受けており、かつ光導波路を[1 10 ]または[-1 -1
0 ]方向に形成したことを特徴とする。そして最後
に、本発明の第6の構成は、上記第1から第5の構成の
半導体光アンプにおいて、半導体基板面方位が、(00
1)面から15度以内にオフしたことを特徴とする。
【0005】
【作用】本発明の半導体光アンプの模式図を図1および
図2に示す。図1はTE偏波のみ選択的に増幅する機能
を有する請求項1,2および3に相当する半導体光アン
プを実現する構造図を、図2はTM偏波のみ選択的に増
幅する機能を有する請求項4および5に相当する半導体
光アンプを実現する構造図を表す。以下、まず図1およ
び図2の説明を行い、その後に特定の偏波だけを選択的
に増幅できるメカニズムについて説明する。図1の半導
体光アンプの構造をまず説明する。(001)半導体基
板150上に、クラッド層110および120で挟み込
まれた活性層100を有している。この活性層100は
請求項1,2および3に示したように、[-1 1 1]また
は[1 -1 1]方向に秩序状態を有するバルク、あるいは
無歪の量子井戸構造、あるいは面内圧縮歪を受けた量子
井戸構造で構成されている。そしてクラッド層120は
光導波路を形成するためにメサ状の形状を成し、電流ブ
ロック層130でメサ外を埋め込まれている。光導波路
は[-1 1 0]または[1 -1 0]方向に形成されている。
さらに、発振を抑制し光アンプとして用いるために入射
端面および出射端面に誘電体無反射膜180を備えてい
る。
【0006】次に、図2の半導体光アンプについて説明
する。図1と同様に、(001)半導体基板150上
に、クラッド層110および120で挟み込まれた活性
層100を有している。この活性層100は請求項4お
よび5に示したように、[-1 11]または[1 -1 1]方
向に秩序状態を有するバルク、あるいは面内引っ張り歪
を受けた量子井戸構造で構成されている。そしてクラッ
ド層120は光導波路を形成するためにメサ状の形状を
成し、電流ブロック層130でメサ外を埋め込まれてい
る。光導波路は[1 1 0 ]または[-1 -1 0 ]方向に形
成されている。さらに、発振を抑制し光アンプとして用
いるために入射端面および出射端面に誘電体無反射膜1
80を備えている。
【0007】次に、なぜ上記の図1および図2の構造の
半導体光アンプにより特定の偏波だけを選択的に増幅で
きるかについてそのメカニズムを説明する。一般にバル
ク結晶のように異方性を持たない半導体の場合、TM偏
波とTE偏波の利得は等しくTM/TE比は1になるこ
とが知られている。これは半導体に形成される双極子ベ
クトルが等方的であるため、TM偏光の電気ベクトルと
もTE偏光の電気ベクトルとも均等に結合するからであ
る。
【0008】しかしながら、AlGaInP系半導体に
おいては、[-1 11]あるいは[1-1 1]方向に秩序状態
を有する自然超格子が形成されることが知られている。
例えば、五明らによってアプライドフィジックスレター
ズ誌に報告されている(A.Gomyo et al., Appl. Phys.
Lett., Vol.50, pp.673 1987)。自然超格子が形成され
た場合、[-1 1 1]あるいは[1 -1 1]方向に秩序状態
を有するため、双極子ベクトルは[1 1 0 ]方向に異方
性を持つ。この結果、[1 1 0 ]成分の電気ベクトルと
の結合が大きくなる。したがって、[-1 1 0]または
[1 -1 0]方向に光導波路を形成した場合(請求項1に
相当)、[1 1 0 ]方向の電気ベクトルを持つTEモー
ドの利得が強くなりTM/TE<1となるのに対し、
[1 1 0 ]または[-1 -1 0 ]方向に光導波路を形成し
た場合(請求項3に相当)、[1 10 ]と直交する方向
の電気ベクトルを持つTEモードの利得は弱くなりTM
/TE>1となる。以上が図1および図2の構造の半導
体光アンプにより特定の偏波だけを選択的に増幅できる
ことの説明である。以上の考えは、マスカレンハスらが
フィジカルレビューレターズ(A.Mascarenhas et al.,
Phys. Rev. Lett., Vol.63, No.19, pp.2108 1989.)に
報告したフォトルミネセンスによる実験、あるいは我々
の光導波路方向を換えたTM/TE比の測定結果からも
支持されている。
【0009】また、一般に量子井戸構造(無歪)の導入
により利得の偏波面依存性が現れることが知られてお
り、[-1 1 1]あるいは[1 -1 1]方向に秩序状態を有
する活性層に量子井戸構造を取り入れることによりTE
モードの選択性をさらに高めることが可能である。(請
求項2に相当)
【0010】また、最近盛んに研究されている歪の導入
に関しても、量子井戸構造に面内圧縮歪を加えることに
よりTEモードが、面内引っ張り歪を加えることにより
TMモードが強められることが知られている。したがっ
て、同様に[-1 1 1]あるいは[1 -1 1]方向に秩序状
態を有する活性層に、面内圧縮歪を持った量子井戸構造
を加えることにより一層TEモード選択性の高い半導体
光アンプが(請求項3に相当)、[-1 1 1]あるいは
[1 -1 1]方向に秩序状態を有する活性層に、面内引っ
張り歪を持った量子井戸構造を加えることにより、より
一層TMモード選択性の高い半導体光アンプが(請求項
5に相当)実現できる。
【0011】なお、最後に以上の説明は(001)半導
体基板上の場合であるが、[-1 1 1]方向または[1 -1
1]方向の秩序状態は基板が(001)から10数度オ
フしている結晶においても形成される。従って、(00
1)面から15度オフ以内のオフ角度を有する半導体基
板上に形成した図1および図2の半導体光アンプに関し
ても同様な偏波特性の選択機能を有する半導体光アンプ
が実現できる。以上が本発明の作用である。
【0012】
【実施例】以下、具体的な数値例を挙げて本発明の半導
体光アンプの実施例を示す。まず、図1のTE偏波光を
選択的に増幅できる半導体光アンプについて説明する。
用いた半導体基板は、Siドープ(001)GaAs基
板150である。その上に、気相成長熱分解法(以下M
OVPE法と略す。)により順次にN型AlGaInP
クラッド層110、アンドープのGaInPとAlGa
InPの多層構造でなる無歪量子井戸構造活性層10
0、P型AlGaInPクラッド層120を含むダブル
ヘテロ構造を成長する。この時前記量子井戸構造活性層
は[-1 11]方向または[1 -1 1]方向に秩序状態を有
するような結晶成長条件で成長を行う。その後、ウェッ
トエッチングにより光導波路を形成するため、P型Al
GaInPクラッド層120をメサ状に加工する。この
時、光導波路を形成する方向は[-1 1 0]方向または
[1 -1 0]方向とする。そして、2回目のMOVPE成
長によりメサ外をN型GaAs電流ブロック層130で
選択的に埋め込み成長する。そして、3回目のMOVP
E成長により、前面にP型GaAsコンタクト層を成長
する。その後、P・N電極を形成する。そして、バー状
にへきかいし、入射端面および出射端面を形成し、その
上に発振抑制用の誘電体無反射膜180を形成する。誘
電体無反射膜は反射率を可能な限り小さく抑えるために
SiNxを用い、反射率として0.5%以下に抑えた。
その後、バーをチップに切り放して図1の構造の半導体
光アンプは完成する。
【0013】こうして試作した図1の構造の半導体光ア
ンプの増幅特性を測定したところ、入射光0.69μ
m、5mW以下のとき、TE偏波光に対しては9dB以
上の利得を生じたのに対しTM偏波光に対しては0.5
dB以下であった。これより、本発明の図1の構造の半
導体光アンプによりTE偏波光のみを選択的に増幅でき
ることがわかった。また、活性層の構造をバルク60n
mとした場合、あるいは1.0%の面内圧縮歪を受けた
量子井戸構造とした場合には、それぞれTE偏波光に対
する利得として12dBおよび5dBの利得であるのに
対し、TM偏波光に対してはいずれも0.5dB以下で
あり、こちらも、TE偏波光のみを選択的に増幅できる
ことがわかった。
【0014】次に図2のTM偏波光を選択的に増幅でき
る構造の半導体光アンプについて説明する。図2の半導
体光アンプの製造方法は基本的に図1の半導体光アンプ
と同一である。図2において図1と異なるのは、光導波
路を形成する方向を[1 1 0]方向または[-1 -1 0 ]
方向にしていることである。また、図2においては活性
層はバルク60nmあるいは1.0%面内引っ張り歪を
受けた量子井戸構造とした。この素子を測定したとこ
ろ、入射光0.69μm、5mW以下のとき、TM偏波
光に対してはそれぞれ3dBおよび7dBの利得が得ら
れたのに対し、TE偏波光に対しては0.5dB以下に
抑えられた。これより図2の半導体光アンプによりTM
偏波光を選択的に増幅できることがわかった。なお、図
1の半導体光アンプでのTE偏波光の利得に比べ、図2
の半導体光アンプでのTM偏波光の利得が小さいのは、
入射端面および出射端面の反射率が完全には0になって
いないためであると考えられる。以上が本発明の実施例
である。
【0015】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
図1の半導体光アンプの如く、TEモードだけを選択的
に増幅することもできるし、また図2の半導体光アンプ
の如くTMモードだけを選択的に増幅することもでき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】TEモードを選択的に増幅する本発明の一実施
例の半導体光アンプの模式図。
【図2】TMモードを選択的に増幅する本発明の他の実
施例の半導体光アンプの模式図。
【符号の説明】
100 活性層 110,120 クラッド層 130 電流ブロック層 140 キャップ層 150 半導体基板 160,170 電極 180 誘電体無反射膜 190 光導波路 200 入射光 210 出射光
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01S 3/18 JICSTファイル(JOIS)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (001)半導体基板上に、[-1 1 1]
    または[1-1 1]方向に秩序状態を有するバルク活性層
    を備え、光導波路を[-11 0]または[1 -10]方向に形
    成したことを特徴とする半導体光アンプ。
  2. 【請求項2】 (001)半導体基板上に、[-1 1 1]
    または[1-1 1]方向に秩序状態を有する量子井戸構造
    活性層を備え、光導波路を[-1 1 0]または[1 -1 0]
    方向に形成したことを特徴とする半導体光アンプ。
  3. 【請求項3】 (001)半導体基板上に、[-1 1 1]
    または[1-1 1]方向に秩序状態を有する量子井戸構造
    活性層を備え、該量子井戸構造活性層の井戸層は面内圧
    縮歪を受けており、かつ光導波路を[-1 1 0]または
    [1 -1 0]方向に形成したことを特徴とする半導体光ア
    ンプ。
  4. 【請求項4】 (001)半導体基板上に、[-1 1 1]
    または[1-1 1]方向に秩序状態を有するバルク活性層
    を備え、光導波路を[1 1 0 ]または[-1 -1 0 ]方向
    に形成したことを特徴とする半導体光アンプ。
  5. 【請求項5】 (001)半導体基板上に、[-1 1 1]
    または[1-1 1]方向に秩序状態を有する量子井戸構造
    活性層を備え、該量子井戸構造活性層の井戸層は面内引
    っ張り歪を受けており、かつ光導波路を[1 1 0 ]また
    は[-1 -1 0]方向に形成したことを特徴とする半導体
    光アンプ。
  6. 【請求項6】 半導体基板面方位が、(001)面から
    15度以内のオフ角度を有する半導体基板上に形成した
    ことを特徴とする請求項1,2,3,4又は5に記載の
    半導体光アンプ。
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