JP3017869B2 - 半導体光増幅器 - Google Patents

半導体光増幅器

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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、長距離光通信の中継器
や前置光増幅器などとして使用されている進行波型半導
体光増幅器に関する。
【0002】
【従来の技術】最近毎秒数ギガビット以上の送信が必要
となる広帯ISDN(総合デジタル通信網)での超高速
画像情報光通信システムの普及が進むにつれ、光増幅器
を用いた新しい通信方式が注目されている。代表的な光
増幅器としては、主に半導体光増幅器及びEr3+ドープ
・ファイバー光増幅器が開発されている。Er3+ドープ
・ファイバー光増幅器は、ファイバーにEr3+をドープ
し、バイアス印加・光励起による誘導光放出作用を起こ
させるものであり、光りファイバーとの接続性が良く、
騒音/飽和光出特性にも優れている。一方、半導体光増
幅器は、ヘブリー・ペロー型光増幅器(FPA)と進行
波型光増幅器(TWA)とに分けられる。FPAは、通
常のFP型半導体レーザをしきい値電流より少し低い動
作電流で駆動することにより増幅するものである。これ
に対し、TWAは、通常のFP型半導体レーザの両端面
に光低反射膜を形成し、光入力信号を進行波的に増幅す
るものである。
【0003】これら光増幅器の中で、TWAは他の2つ
のタイプファイバー並びにファブリー・ペロー型光増幅
器に比べ、利得偏波依存性、温度依存性、高速信に対す
るパターン効果の可能性等の課題を成しているものの、
光の交換への応用を考えると小型で低消費労力化の可能
性を持ち、光増幅素子アレイ化、他の半導体デバイスと
の集積化が可能であると言う点で有利であり、信号利得
の波長依存性、光増幅帯域幅などの点ではより優れてい
る。
【0004】ところで、このTWAを実現するには、端
面の光反射率を抑圧する必要がある。端面が十分に光低
反射化されないと、ファブリー・ペローモードの影響に
より利得リップルが大きくなってしまう。20〜30d
Bの信号利得に対して、反射率は10-3〜10-4に低減
する必要がある。
【0005】そこで、この端面の光反射率を抑圧する方
法としては、(a)光反射防止(AR)膜、(b)端面
窓構造、(c)斜め光導波路構造などがある。
【0006】光反射防止(AR)膜は、通常FP型半導
体レーザ端面に単層或いは多層の光反射防止膜を施すも
のである。端面窓構造は、活性領域端と劈開面との間に
透明な窓構造領域を形成したものである。光導波モード
が活性領域から窓構造領域内に自由空間モードとして放
射される際のビーム広がりの効果を利用して、活性層領
域への戻り光の結合効率を低減するものである。斜め光
導波路構造は、光導波路を端面に対して垂直より斜めに
形成するものである。形成方法としては、へきかい面に
対して通常垂直に配置される活性層ストライプを数度傾
け、劈開面での反射光が再び活性領域に戻らない構造に
したものである。
【0007】但し、図6に示すように、光反射防止(A
R)膜、端面窓構造、斜め光導波路構造を単独に用いた
のでは、光反射率を十分に落すことができない。そこ
で、実際には3つの方法を組み合わせた方法が用いれて
いる。これにより、光反射率を0.0036%にでき
る。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上記の光反射防止膜、
端面窓構造並びに斜め光導波路構造の組み合わせ方法で
光反射率の低減化を行った場合には、次のような欠点が
ある。
【0009】斜め光導波路構造を用いることで、スネル
の法則により窓構造の端面での光の進行方向が曲げられ
る。これにより、図8で示す角度に対する光強度分布が
対称であるFFP(Far Field Patern )が図10
で示すように角度に対する光強度分布が非対称となり、
その光強度分布の中心も活性層ストライプ方向よりずれ
る。実例としては、図9の光導波路を斜めに傾ける角度
θ0 が7度の場合のFFPの光強度分布図を図10に示
す。光強度分布の中心が、24度もずれることが分か
る。また、7度の精度が悪いとFFPのずれ方はさらに
増幅されてしまう。
【0010】このずれにより、光増幅器とファイバーと
の結合は、光軸が共通しないためより難しくなる。端面
と光導波路とが垂直な結合が比較的簡単な場合でも、フ
ァイバーとの結合損失は、3〜5dBである。結合がよ
り難しい斜め光導波路構造の場合には、より高度な光軸
位置合わせ技術が要求される。実装技術では、このよう
な光軸位置合わせを再現性良く行うのは難しい。
【0011】本発明は、上記の問題を解決し、端面の光
反射率を低減し、光増幅器とファイバーとの結合損失を
少なくし、かつ工程が簡単で再現性よく信頼性の高い半
導体光増幅器を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】第一の発明の半導体光増
幅器は、半導体基板上に、活性層を有する光導波領域と
前記光導波領域の外側に形成された窓構造領域とを具備
する半導体光増幅器において、前記活性層が前記窓構造
と接する側面での入射角をθ1 、前記窓構造の端面での
入射角をθ2 、前記活性層の屈折率をn1 、前記窓構造
の光屈折率をn2 とした時に次の関係が成り立つことを
特徴とする。
【0013】 n1 sin θ1 =n2 sin θ2 θ1 ≠0 また本発明は、斜め光導波路構造とその外側の窓構造と
が接する面の角度を図2に示す様に限定したものであ
る。
【0014】
【作用】図2を参照にして説明すると、本発明は、斜め
光導波路構造を示し、その外側を窓構造とし、更に出入
射の両端面は光反射防止(AntiーReflecti
on)膜をコーティングしているので、等価的に反射率
を再現性良く低減できる。この時、斜め光導波路構造と
その外側の窓端面構造とが接する面の角度を下記に示す
ように限定する。
【0015】活性層が窓構造と接する側面での入射角を
θ1 、窓構造の端面での入射角をθ2 、活性層の光屈折
率をn1 、窓構造の光屈折率をn2 とした時に次の関係
が成り立つことを特徴とするものである。
【0016】 n1 sin θ1 =n2 sin θ2 θ1 ≠0 これにより、入射してきた光の進行方向に出射すること
ができる。スネルの法則で曲げられる光の進行方法が入
射方向と同じになるように、活性層と窓構造の屈折率か
ら両者の接する面の角度を決定する。これにより、ファ
イバーとの結合が以前の斜め光導波路構造に比べ容易に
なる。図4に示すように、大幅にずれていたFFPの光
強度分布の中心により近づけることができる。
【0017】
【実施例】以下、本発明をInGaAsP系レーザ増幅
器に適用した一実施例を図面を参照して説明する。
【0018】第1図(a)は本発明の一実施例によるB
H構造を有するレーザ増幅器の断面図である。本実施例
のレーザ増幅器は、n−InP基板1上に、n−InP
バッファ層2、InGaAsP活性層3、p−InPク
ラッド層4、p−InGaAsPのコンタクト層5、p
側電極6を積層した光導波領域11と、p−InP埋め
込み層7、n−InP埋め込み層8、ノンドープInG
aAsP埋め込み層9を積層した窓構造12とで形成さ
れている。図1(b)は、図1(a)の平面図である。
InGaAsP活性層3とp−InP埋め込み層7とが
なす角度を、90度より数度ずらしているので、光導波
領域11は、斜め光導波路構造を実現している。この
時、スネルの法則で曲げられる光の進行方向が入射方向
と同じになるように、活性層と窓構造の光屈折率から両
者の接する面の角度を決定する。ただし、全反射を防ぐ
ためその角度は臨界角以下にしている。p−InP埋め
込み層7は、InGaAsP活性層3より禁制帯幅が大
きいので12の領域は窓構造となる。また、出入射の両
端面は反射防止(AR)膜13をコーティングしてい
る。
【0019】次に、上記実施例のレーザ光増幅器の製造
方法を図3を参照し説明する。
【0020】まず、図3(a)に示して説明すると、n
P基板1上に、n−InPバッファ層2、ノンドープI
nGaAsP活性層3、p−InPクラッド層4、p−
InGaAsPのコンタクト層5を順次エピタキシャル
成長させる。
【0021】次に、図3(b)に示して説明すると、フ
ォトレジスト工程により例えばSiO2 膜14からなる
エッチングマスクを形成する。光導波路を斜めにする角
度θ1 は、7度とした。活性層の光屈折率n1 は3.5
4、窓構造の光屈折率n2 は3.40であるので、窓構
造の端面での入射角をθ2 は7.28度となるマスクを
使用した。このマスクを用いて、塩素系のガスのドライ
エッチングにより例えばRIE(Reactive Ion Etchin
g)、ECR(Electron Cyclotron Resonance)−RI
BE(Reactive Ion Beam Etching )の塩素系のガスで
p−InGaAsPのコンタクト層5、p−InPクラ
ッド層4、ノンドープInGaAsP活性層3、n−I
nPバッファ層2を、n−InP基板1に達するところ
までドライエッチングして、島状の斜めストライブを形
成する。
【0022】次に、図3(c)に示した様に、上記のよ
うにして形成した長さ550μmの島状の逆メサストラ
イプの回りを、p−InP埋め込み層7、n−InP埋
め込み層8、ノンドープInGaAsP埋め込み層9で
埋め込む。
【0023】次に、図3(d)に示した様に、SiO2
膜14をHF系のエッチャントで除去し、p側電極6を
形成する。
【0024】最後に、図3(e)に示した様に、n−I
nP基板1の裏面にn側電極10を形成し、両端面に光
反射防止(AntiーReflection)膜13を
コーティングする。全体の素子の長さは、600μmと
した。
【0025】上述の本発明では、斜め光導波路構造を有
し、その外側を窓構造とし、更に出入射の両端面は光反
射防止(AntiーReflection)膜13をコ
ーティングしているので、等価的に反射率を再現性良く
低減できる。この時、斜め光導波路構造とその外側の窓
構造とが接する面の角度を限定することで、入射してき
た光の進行方向に出射することができる。
【0026】このため、ファイバーとの結合が従来の斜
め光導波路構造を有した場合に比べ容易になる。
【0027】なお、本発明の半導体光増幅器は、InP
系半導体だけでなく、他の半導体を用いても実施するこ
とができる。また、製造方法で用いられた結晶成長は、
気相成長でも実施することができる。
【0028】また、本発明の構造を入出力の両側の面に
用いることも可能である。
【0029】
【発明の効果】本発明の半導体光増幅器は、等価的に光
反射率を再現性良く低減できる。この時、斜め導波路構
造とその外側の窓構造とが接する面の角度を限定するこ
とで、入射してきた光の進行方向に出射することができ
る。これにより、反対側の窓構造の端面では入射方向と
同じ方向に光が出射されるため、ファイバーとの結合が
従来の斜め光導波路構造を有した場合に比べ容易にな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例である斜め光導波路構造の外
側に窓構造を設けた光導波領域を有する半導体光増幅器
を示し、(a)は断面図及び(b)は平面図である。
【図2】本発明の半導体光増幅器の原理を説明するため
の図である。
【図3】図1の半導体光増幅器の製作工程を示す図であ
る。
【図4】図1の半導体光増幅器の製作工程を示す図であ
る。
【図5】図1の半導体光増幅器の製作工程を示す図であ
る。
【図6】図1の半導体光増幅器の製作工程を示す図であ
る。
【図7】本発明を用いた場合の光の進行方向を示す図で
ある。
【図8】FFP光強度分布図である。
【図9】従来の斜め光導波路構造を有する半導体光増幅
器の平面図である。
【図10】従来の斜め光導波路構造を有する場合のFF
P光強度分布図である。
【符号の説明】
1 n−InP基板 2 n−InPバッファ層 3 ノンドープInGaAsP活性層 4 p−InPクラッド層 5 p−InGaAsPコンタクト層 6 P側電極層 7 p−InP埋め込み層 8 n−InP埋め込み層 9 ノンドープInGaAsP埋め込み層 10 n側電極層 11 光導波領域 12 光導波領域 13 光反射防止膜(AntiーReflection
CoatingFilm) 14 SiO2 膜 103 ノンドープInGaAsP活性層 105 p−InGaAsPコンタクト層 106 P側電極層 111 光導波領域 112 光導波領域 113 光反射防止膜(AntiーReflectio
n CoatingFilm)
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 G02F 1/35 510 JICSTファイル(JOIS)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に、活性層を有する光導波
    領域と前記光導波領域の外側に形成された窓構造領域と
    を具備する半導体光増幅器において、前記活性層が前記
    窓構造と接する側面での入射角をθ1 、前記窓構造の端
    面での入射角をθ2 、前記活性層の屈折率をn1 、前記
    窓構造の光屈折率をn2 とした時に次の関係が成り立つ
    ことを特徴とする半導体光増幅器。 n1 sin θ1 =n2 sin θ2 θ1 ≠0
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