JP4415891B2 - 半導体光増幅素子 - Google Patents

Description

本発明は、半導体光増幅素子に関するものである。

半導体光増幅素子は、小型、低消費電力、及び低コストといった利点を有しており、今後の光通信システムにおけるキーデバイスとして大きな需要が見込まれている。

半導体光増幅素子の出力光には、増幅信号光に加えて、その内部で発生する自然放出増幅光が重畳する。この自然放出増幅光は、信号光とは無関係にランダムに発生するので、増幅信号光に対する雑音成分となる。

このような自然放出に起因する雑音成分が重畳すると、増幅信号光の品質が劣化し、伝送特性に悪影響を及ぼす。そこで、この自然放出増幅光を低減するために、従来の光増幅システムでは、増幅信号光の波長帯域以外の光を除去するバンドパスフィルタが、半導体光増幅素子の出力側に別途に設けられていた（例えば、非特許文献１を参照）。
Michael J.Connelly 著、"Semiconductor Optical Amplifiers"、KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS, ｐ１１１−１１３

しかしながら、上述したフィルタとしては、増幅信号光のみを通過させるフィルタ、すなわち増幅信号光の波長帯域に過不足無く一致するよう、通過波長帯域を高精度で合わせ込んだ高価なフィルタが必要である。また、フィルタの導入によってシステムが大型化する。特に、ＷＤＭシステムのように多数の波長の信号光が一括伝送される場合や、加入者系のように受信端末が多数存在するシステムでは、波長数や端末数に比例して多数のフィルタが必要となり、フィルタの導入に伴うコスト増、及びシステムの大型化は顕著となる。

そこで、本発明は、自然放出増幅光を低減することが可能であり、低コスト、且つ小型化が可能な半導体光増幅素子を提供することを目的としている。

本発明の半導体光増幅素子は、第１導電型の下部クラッド層、第２導電型の上部クラッド層、活性層、及び回折格子層を備えている。下部クラッド層は、所定方向に順に設けられた第１の領域および第２の領域を有している。上部クラッド層は、第１の領域に支持されている。活性層は、下部クラッド層の第１の領域と上部クラッド層との間に設けられている。回折格子層は、活性層と光学的に結合され、所定方向に沿って設けられた回折格子を有し、第２の領域に支持されている。第２の領域は、所定方向に延びる第３の領域と、該第３の領域の両側に設けられた第４領域を有しており、回折格子層は、第３の領域に支持されており、第４の領域には、第２導電型の半導体層が設けられており、第２導電型の半導体層のバンドギャップは、回折格子層のバンドギャップより大きい。本半導体光増幅素子は、下部電極と、第１の上部電極と、記第１の上部電極とは電気的に絶縁された第２の上部電極を更に備える。下部クラッド層、活性層、及び上部クラッド層は、下部電極と第１の上部電極との間に設けられており、下部クラッド層、及び第２導電型の半導体層は、下部電極と第２の上部電極との間に設けられている。上記所定方向は、光の導波方向であり、回折格子層には、所定方向に直交する方向において回折格子層の両側に設けられた第２導電型の半導体層から電流が注入される。

この半導体光増幅素子によれば、回折格子層の回折格子の格子周期を設定することによって、回折格子層を導波する光のうち所望の波長帯域の光を回折格子層から出力することができる。したがって、この半導体光増幅素子は、自然放出増幅光を低減するための別途のフィルタを必要とせずに所望の波長帯域の光を出力することが可能である。また、入力信号光を増幅する部分と、自然放出増幅光を除去して増幅信号光を出力する部分とがモノリシックに製造された素子であるので、この半導体光増幅素子のサイズは、小さい。更に、この半導体光増幅素子は、通常の半導体製造装置を用いて、一括大量生産することが出来るので、低コストである。また、この構成の半導体光増幅素子によれば、回折格子層に電流を注入することによって、回折格子の等価屈折率を変更することが可能である。これによって、回折格子層からの光の出力方向を変更することが可能となる。

回折格子層の回折格子は、単一の格子周期を有していてもよい。あるいは、回折格子層は、所定方向に順に設けられた複数の部分を有しており、複数の部分それぞれの回折格子の格子周期は、互いに異なっていてもよい。

上記複数の部分を有する半導体光増幅素子は、当該複数の部分それぞれの格子周期が異なっているので、複数の部分それぞれから互いに異なる波長帯域の光を出力することができる。すなわち、複数の部分はそれぞれ、対応の波長帯域以外の波長帯域に含まれている自然放出増幅光を除去した光を取り出すことができる。ところで、この構成の半導体光増幅素子と同様の機能を実現するために、従来のシステムは、通過波長帯域の異なる複数のフィルタと、信号光の波長に応じて当該複数のフィルタを伝送路に挿入する制御装置を更に備える必要があった。この従来のシステムに比して、本発明の半導体光増幅素子では、通過波長帯域の異なる複数のフィルタを個々に用意する必要がなく、制御装置も不要である。したがって、この半導体光増幅素子は、小型化が可能であり、低コストである。

上記の複数の部分それぞれから互いに異なる中心波長の光が実質的に同方向に出力されるように、当該複数の部分それぞれの回折格子の格子周期が設定されていてもよい。この構成の半導体光増幅素子によれば、異なる波長帯域の光を同一方向に取り出すことが可能であるので、一つの受光器によって異なる波長帯域の光を受光することが可能となる。

また、上記複数の部分それぞれから互いに異なる中心波長の光が異なる方向に出力されるように、当該複数の部分それぞれの回折格子の格子周期が設定されていてもよい。この構成の半導体光増幅素子によれば、分波器を用いずに、異なる波長帯域の光をそれぞれ異なる方向に取り出すことができる。

本発明の半導体光増幅素子は、反射制御層を更に備えることができる。この反射制御層は、回折格子層上に設けられており、回折格子層と異なる反射率を有している。この反射制御層によれば、回折格子層から出力する光の強度を所望の強度に設定することが可能となる。

本発明の半導体光増幅素子は、第１の光閉じ込め層および第２の光閉じ込め層を更に備えることができる。第１の光閉じ込め層は、活性層と下部クラッド層との間に設けられており、活性層のバンドギャップエネルギーと下部クラッド層のバンドギャップエネルギーの間のバンドギャップエネルギーを有する。第２の光閉じ込め層は、活性層と上部クラッド層との間に設けられており、活性層のバンドギャップエネルギーと上部クラッド層のバンドギャップエネルギーの間のバンドギャップエネルギーを有する。

この半導体光増幅素子によれば、キャリアが、第１及び第２の光閉じ込め層を介して上下のクラッド層から活性層へより効率良く注入される。また、活性層において発生された光を、活性層内により効率良く閉じ込めることができる。したがって、半導体光増幅素子の増幅特性が向上される。特に、活性層の構造が、光閉じ込め係数が小さい量子井戸構造である場合には、第１及び第２の光閉じ込め層によって活性層の光閉じ込め係数を向上することができる。

本発明の半導体光増幅素子において、下部クラッド層の第１の領域は、所定方向に延びる第５の領域と、第５の領域の両側に設けられた第６の領域とを有しており、活性層は、第５の領域に支持されており、上部クラッド層は、第６の領域、及び活性層上に設けられていることが好適である。

この半導体光増幅素子では、従来の埋め込みヘテロ構造（ＢＨ構造）の半導体光素子に比して、電流ブロック層が不要である。したがって、成長回数及び製造工程が短縮され、製造コストが低減される。

本発明によれば、自然放出増幅光を低減することが可能であり、低コスト、且つ小型化が可能な半導体光増幅素子が提供される。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

［第１の実施の形態］

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体光増幅素子の断面図である。図１には、この半導体光増幅素子の活性層における光の導波方向に沿った縦断面が示されている。

図１に示す半導体光増幅素子１０は、基板１２、下部クラッド層１４、下部電極１６、活性層１８、上部クラッド層２０、コンタクト層２２、上部電極２４、回折格子層２６、及び低反射膜２８を備えている。

基板１２は、本実施の形態では、ｎ型の基板である。基板１２の一方の主面には下部クラッド層１４が設けられている。基板１２の他方の主面には、下部電極１６が設けられている。基板１２には下部クラッド層１４にドーピングされた不純物と同じ導電型の不純物が高濃度にドーピングされている。この基板１２は、下部電極１６とオーミックコンタクトを形成している。

下部クラッド層１４は、本実施の形態では、ｎ型のクラッド層である。下部クラッド層１４は、その表面に領域（第１の領域）１４ａ及び領域（第２の領域）１４ｂを有している。領域１４ａ及び領域１４ｂは、所定方向に順に設けられている。この所定方向は、活性層における光の導波方向と同方向である。

領域１４ａには、活性層１８を介して上部クラッド層２０が支持されている。すなわち、活性層１８は、下部クラッド層１４の領域１４ａと上部クラッド層２０との間に設けられている。活性層１８は、外部からの入力信号光を受ける一端１８ａ及び増幅した光を出力する他端１８ｂを有している。

活性層１８は、バルク構造、単一の量子井戸構造、又は、量子井戸層とバリア層とが交互に複数積層された多重量子井戸構造を有することができる。活性層１８は、アンドープであることができるが、必要に応じて不純物がドーピングされていてもよい。

上部クラッド層２０は、本実施の形態では、ｐ型のクラッド層である。上部クラッド層２０には、ｐ型の不純物がドーピングされている。この上部クラッド層２０上には、コンタクト層２２が設けられている。

コンタクト層２２には、上部クラッド層２０と同じ導電型の不純物が高濃度にドーピングされている。このコンタクト層２２上には、上部電極２４が設けられており、コンタクト層２２及び上部電極２４はオーミックコンタクトを形成している。

ここで、半導体光増幅素子１０による光増幅の原理について説明する。活性層１８は、下部クラッド層１４及び上部クラッド層２０より低バンドギャップの材料によって構成されている。したがって、活性層１８に注入されたキャリアは活性層１８内に閉じ込められる。この状態において、外部から一端１８ａに中心波長λの入力信号光が入射すると、当該入力信号光による誘導放出によって活性層１８内の電子と正孔が効率良く結合する。このとき生じる利得によって入力信号光がコヒーレントに増幅され、中心波長λの増幅信号光が他端１８ｂから出力される。また、この増幅信号光とは別に、自然放出現象により自然放出増幅光が生じ、当該自然放出増幅光は、増幅信号光に重畳する雑音成分となる。すなわち、活性層１８の他端１８ｂからは、増幅信号光及び自然放出増幅光を含む光が出力される。

図１に戻り、下部クラッド層１４の領域１４ｂには、回折格子層２６が支持されている。回折格子層２６には、上記所定方向に沿って設けられた回折格子を有している。この回折格子層２６は、活性層１８の他端１８ｂと光学的に結合された一端２６ａを有している。本実施の形態では、回折格子層２６の回折格子の格子周期Λは一定になっている。回折格子層２６は、増幅信号光の吸収を避けるために、増幅信号光の波長に対応するバンドギャップより大きなバンドギャップを有する材料で構成されている。活性層１８との良好な結合を実現するために、回折格子層２６は活性層１８と同様の断面構造を有することが好ましく、且つ両者の断面がほぼ完全に重なった状態で、活性層１８の他端１８ｂと回折格子層２６の一端２６ａとが接触していることが好ましい。

なお、回折格子層２６上に保護層が設けられていてもよい。保護層には、回折格子層２６からの光の取り出しを妨げないために、光に対して透明な材料が用いられる。保護層の材料としては、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等の誘電体膜が例示される。

このように構成された半導体光増幅素子１０の両端には、低反射膜２８が設けられている。低反射膜２８は、両端面における光の反射を低減することによってレーザ発振を抑制している。この低反射膜２８によって、半導体光増幅素子としての動作が可能になっている。低反射膜２８は、例えば、窒化膜によって構成されている。

以下、半導体光増幅素子１０の各要素の材料を例示する。基板１２がＧａＡｓの場合には、下部クラッド層１４にはＧａＩｎＰ、下部電極１６にはＡｕＧｅＮｉ、活性層１８にはＧａＩｎＮＡｓ、上部クラッド層２０にはＧａＩｎＰ、コンタクト層２２にはＧａＡｓ、上部電極２４にはＴｉＰｔＡｕ、回折格子層２６にはＧａＡｓを用いることができる。また、基板１２がＩｎＰの場合には、下部クラッド層１４にはＩｎＰ、下部電極１６にはＡｕＧｅＮｉ、活性層１８にはＧａＩｎＡｓＰ又はＧａＩｎＡｓ、上部クラッド層２０にはＩｎＰ、コンタクト層２２にはＧａＩｎＡｓＰ又はＧａＩｎＡｓ、上部電極２４にはＴｉＰｔＡｕ、回折格子層２６にはＧａＩｎＡｓＰを用いることができる。

以下、回折格子層２６による増幅信号光の出力に関する原理について説明する。活性層１８の他端１８ｂから出力された光は、回折格子層２６の一端２６ａに入射する。

ここで、回折格子の格子周期をΛとすると、次式（１）に示すブラッグの反射の条件より、回折格子層２６の一端２６ａに入射した光のうち中心波長λの増幅信号光Ｌは、当該光の進行方向（上記所定方向）に対して一定の角度θの方向に出力される。
ｎ_ｅΛ−ｎ_１Λｃｏｓ（θ）＝Λ（ｎ_ｅ−ｎ_１ｃｏｓ（θ））＝ｍλ …（１）
ここで、ｎ_ｅは回折格子層を導波する信号光に対する等価屈折率であり、ｎ_１は回折格子層から光が出力される領域の屈折率であり、ｍは１以上の整数である。

例えば、回折格子の等価屈折率ｎ_ｅが３．４であり、回折格子層２６から光が出力される領域（大気）の屈折率ｎ_１が１．０である場合に、回折格子の格子周期Λを３８５．３ｎｍにすることによって、中心波長λが１３１０ｎｍの増幅信号光Ｌは、角度θ＝９０度の方向に出力される。このような周期の回折格子は、干渉露光装置やEB露光装置といった、回折格子形成に用いられる一般的な装置を用いて容易に作製でき、プロセス上の問題は無い。

以下、半導体光増幅素子１０の作用及び効果について説明する。上述したように角度θの方向に出力される光は、中心波長λ近傍の成分のみ、即ち増幅信号光Ｌの波長帯域のみである。その他の波長帯域の光は、ブラッグ条件を満たさないので、回折格子層２６の他端からそのまま放出される。したがって、半導体光増幅素子１０によれば、自然放出増幅光を含む他の波長帯域の光を除去して、増幅信号光Ｌのみを角度θの方向に出力することが可能となる。

このように、半導体光増幅素子１０は、別途のフィルタ等を設けなくても、自然放出増幅光を低減できる。また、この半導体光増幅素子１０は、通常の半導体製造装置を用いて一括大量生産することが可能である。したがって、この半導体光増幅素子１０によれば、コストが低減される。更に、光を増幅する部分と自然放出増幅光を除去して増幅信号光を出力する部分がモノリシックに形成されており、数百μｍ程度のサイズであるので、この半導体光増幅素子１０は小型である。従って、従来システムで問題となっていた、別途のフィルタの導入に伴うシステムの大型化を避けることが出来る。

［第２の実施の形態］

図２は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体光増幅素子の断面図である。図２には、この半導体光増幅素子の活性層における光の導波方向に沿った縦断面が示されている。以下、図２に示す半導体光増幅素子１０Ｂについて、半導体光増幅素子１０と異なる点を説明する。

半導体光増幅素子１０Ｂの回折格子層２６Ｂは、所定方向（活性層１８における光の導波方向と同方向）に沿って、複数の部分２６Ｂ_１〜２６Ｂ_Ｎを有している。なお、Ｎは２以上の整数である。

複数の部分２６Ｂ_１〜２６Ｂ_Ｎそれぞれの格子周期は、互いに異なっている。本実施の形態では、複数の部分それぞれの回折格子の格子周期Λ_ｉ（ｉ＝１〜Ｎ）は、次式（２）を満たすように設定されている。
Λ_ｉ＝ｍλ_ｉ／（ｎ_ｅ−ｎ_１ｃｏｓ（θ_０）） …（２）
ここで、ｍは１以上の整数であり、ｎ_ｅは回折格子層を導波する信号光に対する等価屈折率であり、ｎ_１は回折格子層２６Ｂから光が出力される領域の屈折率であり、λ_ｉは複数の部分それぞれから出力する光の中心波長であり、θ_０は光がブラッグ反射される一定の角度である。

すなわち、複数の部分２６Ｂ_１〜２６Ｂ_Ｎそれぞれの格子周期は、当該複数の部分から互いに異なる中心波長の光が同一方向に出力されるように、設定されている。この同一方向とは、上記所定方向に対して角度θ_０の方向である。より具体的には、部分２６Ｂ_１からは波長λ_１の光Ｌ_１が角度θ_０の方向に出力され、部分２６Ｂ_２からは波長λ_２の光Ｌ_２が角度θ_０の方向に出力され、部分２６Ｂ_Ｎからは波長λ_Ｎの光Ｌ_Ｎが角度θ_０の方向に出力される。

例えば、回折格子の等価屈折率ｎ_ｅが３．４であり、回折格子層２６から光が出力される領域（大気）の屈折率ｎ_１が１．０である場合に、部分２６Ｂ_１〜２６Ｂ_３の回折格子の格子周期Λ_１〜Λ_３をそれぞれ３７９．４ｎｍ、３８５．３ｎｍ、３９１．２ｎｍにすることによって、中心波長λ_１が１２９０ｎｍの増幅信号光Ｌ_１、中心波長λ_２が１３１０ｎｍの増幅信号光Ｌ_２、中心波長λ_３が１３３０nmの増幅信号光Ｌ_３が、角度θ_０＝９０度の方向に出力される。

この半導体光増幅素子１０Ｂは、上述した半導体光増幅素子１０と同様の効果に加えて、複数の部分から互いに異なる波長帯域の増幅信号光を、対応の波長帯域以外の自然誘導放出光を除去しつつ、同一方向に出力することができる。したがって、この半導体光増幅素子１０Ｂによれば、信号光の数に応じた数のフィルタ、及びこれらのフィルタを伝送路に挿入する制御装置が不要になる。例えば、互いに中心波長が異なるのＮ個の信号光のうち１伝送中には一つの信号光のみを伝送するシステムに半導体光増幅素子１０Ｂを用いる場合には、全信号光が同じ方向に取り出されるので、半導体光増幅素子１０Ｂからの出力光を一つの光受信器によって受信することができ、受信部のコストを削減できる。

［第３の実施の形態］

図３は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体光増幅素子の断面図である。図３には、この半導体光増幅素子の活性層における光の導波方向に沿った縦断面が示されている。以下、図３に示す半導体光増幅素子１０Ｃについて、半導体光増幅素子１０Ｂと異なる点を説明する。

半導体光増幅素子１０Ｃの回折格子層２６Ｃは、所定方向（活性層１８における光の導波方向と同方向）に沿って、複数の部分２６Ｃ_１〜２６Ｃ_Ｎを有している。なお、Ｎは２以上の整数である。

複数の部分２６Ｃ_１〜２６Ｃ_Ｎそれぞれの格子周期は、互いに異なっている。本実施の形態では、複数の部分それぞれの回折格子の格子周期Λ_ｉ（ｉ＝１〜Ｎ）は、次式（３）を満たすように設定されている。
Λｉ＝ｍλｉ／（ｎ_ｅ−ｎ_１ｃｏｓ（θ_ｉ）） …（３）
ここで、ｍは１以上の整数であり、ｎ_ｅは回折格子層を導波する信号光に対する等価屈折率であり、ｎ_１は回折格子層２６Ｃから光が出力される領域の屈折率であり、λ_ｉは複数の部分それぞれから出力する信号光の中心波長であり、θ_ｉは複数の部分それぞれから光がブラッグ反射される角度であり、上記所定方向に対する角度である。

すなわち、複数の部分２６Ｃ_１〜２６Ｃ_Ｎそれぞれの格子周期は、当該複数の部分から互いに異なる中心波長の光が互いに異なる方向に出力されるように、設定されている。より具体的には、部分２６Ｃ_１からは波長λ_１の光Ｌ_１が角度θ_１の方向に出力され、部分２６Ｃ_２からは波長λ_２の光Ｌ_２が角度θ_２の方向に出力され、部分２６Ｃ_Ｎからは波長λ_Ｎの光Ｌ_Ｎが角度θ_Ｎの方向に出力される。

例えば、回折格子の等価屈折率ｎ_ｅが３．４であり、回折格子層２６から光が出力される領域（大気）の屈折率ｎ_１が１．０である場合に、部分２６Ｃ_１〜２６Ｃ_３の回折格子の格子周期Λ_１〜Λ_３をそれぞれ５０９．１ｎｍ、４５１．７ｎｍ、３９１．２ｎｍにすることによって、中心波長λ_１が１２９０ｎｍの増幅信号光Ｌ_１、中心波長λ_２が１３１０ｎｍの増幅信号光Ｌ_２、中心波長λ_３が１３３０ｎｍの増幅信号光Ｌ_３がそれぞれ、角度θ_１＝３０度、角度θ_２＝６０度、角度θ_３＝９０度の方向に出力される。

この半導体光増幅素子１０Ｃは、上述した半導体光増幅素子１０と同様の効果に加えて、複数の部分から互いに異なる波長帯域の増幅信号光を、対応の波長帯域以外の自然誘導放出光を除去しつつ、互いに異なる方向に出力することができる。したがって、この半導体光増幅素子１０Ｃからの出力を、波長帯域毎に用意された複数の受光器によって受光することができる。例えば、互いに異なる波長帯域の複数の信号を含む多重信号を増幅する場合に、この半導体光増幅素子１０Ｃによれば、信号光の数に応じた数のフィルタ、及び波長分離の為の分波器といった光学素子が不要になり、コストの増大や、システムの大型化を回避できる。

［第４の実施の形態］

図４は、本発明の第４の実施形態に係る半導体光増幅素子を一部破断して示す斜視図である。図５は、図４のV−V線に沿った断面図である。図６は、図４のVI−VI線に沿った断面図である。以下、図４〜図６に示す半導体光増幅素子１０Ｄについて、半導体光増幅素子１０、１０Ｂ、及び１０Ｃと異なる点について説明する。

図４及び図５に示すように、半導体光増幅素子１０Ｄにおいては、下部クラッド層１４の領域１４ａに領域（第５の領域）１４ｃ及び領域（第６の領域）１４ｄが設けられている。領域１４ｃは、所定方向、即ち活性層１８における光の導波方向と同方向に延びている。領域１４ｄは、領域１４ｃの両側に設けられている。

領域１４ｃには、メサ状の活性層１８が支持されている。上部クラッド層２０は、活性層１８及び領域１４ｄ上に設けられている。下部クラッド層１４及び上部クラッド層２０のバンドギャップは、活性層１８のバンドギャップより大きくなっている。また、下部クラッド層１４及び上部クラッド層２０の屈折率は、活性層１８の屈折率よりも小さくなっている。活性層１８の幅は導波信号光の単一横モード性を維持する必要上、５μｍ以下になっている。上部クラッド層２０上には、コンタクト層２２が設けられており、コンタクト層２２上には上部電極２４が設けられている。また基板１２の裏面には下部電極１６が形成されている。

上部クラッド層２０、活性層１８、及び下部クラッド層１４によって構成されているｐｉｎ接合部のターンオン電圧は、この部分のｐｉｎ接合電位（ビルトインポテンシャル）によって定まる。このｐｉｎ接合電位は、主として活性層の材料のバンドギャップによって定まる。

また、上部クラッド層２０及び下部クラッド層１４によって構成されるｐｎ接合部のターンオン電圧は、この部分のｐｎ接合電位によって定まる。このｐｎ接合電位は、主として上部及び下部クラッド層の材料のバンドギャップによって定まる。

この半導体光増幅素子１０Ｄでは、上部及び下部クラッド層のバンドギャップが、活性層１８のバンドギャップより大きいので、ｐｉｎ接合電位よりもｐｎ接合電位の方が大きくなる。したがって、ｐｉｎ接合部の接合電位とｐｎ接合部の接合電位との差を利用することによって、活性層１８に電流(キャリア)を閉じ込めることができる。

以下、このメカニズムについて、更に詳細に説明する。ｐｎ接合部の接合電位がｐｉｎ接合部の接合電位よりも高いということは、ｐｎ接合部のターンオン電圧が、ｐｉｎ接合部のターンオン電圧よりも高いことを意味する。また、ｐｉｎ接合部の接合電位とｐｎ接合部の接合電位との差が大きいほど、ｐｉｎ接合部のターンオン電圧とｐｎ接合部のターンオン電圧の差が大きくなる。換言すれば、上部及び下部クラッド層のバンドギャップと活性層１８のバンドギャップとの差が大きいほど、ターンオン電圧差が大きくなる。

駆動電圧を０Ｖから徐々に増加させた場合、ターンオン電圧の低いｐｉｎ接合部が先にターンオンする。そのため、ｐｉｎ接合部の抵抗が急激に低下し、順方向電流が流れる。その結果、活性層１８にキャリアが大量に供給され、活性層１８において光が発生する。このとき、ｐｎ接合部はターンオンしていないため、ｐｎ接合部は依然高抵抗である。したがって、電流(キャリア)はｐｎ接合部において効果的にブロックされて、ｐｉｎ接合部、即ち活性層に効果的に閉じ込められる。

また、活性層１８の屈折率は、その周囲を取り囲む上部及び下部クラッド層の屈折率よりも大きいので、活性層１８において発生した光は活性層１８付近に閉じ込められる。したがって、活性層１８に光及び電流を効果的に閉じ込めることが可能である。故に、活性層１８において誘導放出が効率よく生じ、入力信号光を効率よく増幅することが可能となる。

図４及び図６に示すように、半導体光増幅素子１０Ｄは、回折格子層２６にも電流を注入できる構造になっている。具体的に、下部クラッド層１４の領域１４ｂには、領域（第３の領域）１４ｅ及び領域（第４の領域）１４ｆが設けられている。領域１４ｅは、領域１４ｃに連続しており、上記の所定方向に延びている。領域１４ｆは、領域１４ｅの両側に設けられている。

領域１４ｅには、回折格子層２６が支持されている。領域１４ｆには、p型の半導体層３２が設けられている。この半導体層３２は、上部クラッド層２０に連続しており、上部クラッド層２０と同材料によって構成されている。半導体層３２上には、コンタクト層３４が設けられており、コンタクト層３４上には、上部電極３６が設けられている。コンタクト層３４はコンタクト層２２と同じ材料によって構成されており、上部電極３６は上部電極２４と同じ材料によって構成されている。また基板１２の裏面側には、下部電極１６が形成されている。

コンタクト層２２とコンタクト層３４との間、上部電極２４と上部電極３６との間には、溝が設けられている。これによって、活性層１８と回折格子層２６は電気的に絶縁され、両者に独立に電流を注入することが可能になっている。なお、更に高い絶縁性が必要であれば、上部クラッド層２０と半導体層３２との間に溝を形成してもよい。

回折格子層２６上には、反射される信号の取り出しを妨げないようにするため、保護層３０のみが形成されている。保護層３０は、プロセス時のダメージ、機械的衝撃による破損や、経時変化に伴う結晶劣化等から、回折格子層２６を保護する機能を有している。保護層３０は、光の取り出しを妨げぬよう、透明な材料で形成されている。例えば、保護層３０には、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２、又はＡｌ_２Ｏ_３等の誘電体膜が使用される。なお、保護層３０は、無くてもよい。

回折格子層２６の材料は、増幅信号光の吸収を防ぐため、増幅信号光の波長に対応するバンドギャップよりも高いバンドギャップを有しており、以下の述べる電流と光をこの層に閉じ込める必要性から、下部クラッド層１４及び半導体層３２のバンドギャップより低バンドギャップを有しており、且つ下部クラッド層１４及び半導体層３２のバンドギャップより高い屈折率を有している。

回折格子層２６には両側の半導体層３２を介して幅方向の両側から電流(キャリア)が注入される。回折格子層２６の幅は、導波信号光の単一横モード性を維持する必要上、５μｍ以下である。一方、キャリアの拡散長は２〜３μｍあるので、両側から拡散してくるキャリアにより、回折格子層２６内のキャリア密度はほぼ均一になる。

半導体層３２、回折格子層２６、及び下部クラッド層１４によって構成される電流狭窄部のターンオン電圧は、主として回折格子層２６の材料のバンドギャップに依存する電流狭窄部の接合電位（ビルトインポテンシャル）によって定まる。下部クラッド層１４及び半導体層３２によって構成されるｐｎ接合部のターンオン電圧は、主として下部クラッド層１４及び半導体層３２の材料のバンドギャップに依存するｐｎ接合電位によって定まる。

半導体光増幅素子１０Ｄでは、回折格子層２６のバンドギャップよりも下部クラッド層１４及び半導体層３２のバンドギャップの方が大きいので、電流狭窄部におけるターンオン電圧よりもｐｎ接合部におけるターンオン電圧の方が大きくなる。このターンオン電圧差を利用して、回折格子層２６に電流(キャリア)を閉じ込めることが可能となる。

また、回折格子層２６の屈折率は、その周囲を取り囲む半導体層３２及び下部クラッド層１４の屈折率よりも大きいので、活性層１８からの増幅信号光は、回折格子層２６内に閉じ込められて導波し、導波中に回折格子により効果的に反射されて、取り出される。

ここで、活性層１８、及び回折格子層２６における電流狭窄構造の従来の電流狭窄構造に対する優位点について説明する。従来は、メサ状の活性層や回折格子層に電流を閉じ込める場合に、所謂埋め込みヘテロストラクチャー(BH：BuriedHeterostructure)構造が用いられていた。すなわち、従来は、メサ状の活性層や回折格子層の両側に導電型の異なる電流ブロック層を別途積層し、そこに形成されるｐｎ逆バイアスを利用することによって、電流狭窄が実現されていた。しかしながら、ＢＨ構造では、電流狭窄のために、電流ブロック層を別途成長する必要があるため、成長回数が増え、製造工程も複雑化するといった難点があった。

これに対して、半導体光増幅素子１０Ｄでは、電流ブロック層が不要のため、ＢＨ構造に比べて、成長回数や製造工程を短縮でき、製造コストを削減できるという利点がある。

また、半導体光増幅素子１０Ｄは、第１〜第３の実施の形態の半導体光増幅素子が有する効果に加えて、回折格子層２６への電流注入が可能であるので、以下の効果を更に有している。

すなわち、本構造においても他の実施例同様、ブラッグ条件を満たす方向に光は反射されるが、その方向に関する角度θは、次式（４）によって与えられる。
θ＝ａｒｃｃｏｓ｛（ｎ_ｅ−ｍλ／Λ）／ｎ_１）｝ …（４）

ここで、回折格子層２６に電流(キャリア)が注入されると、プラズマ効果等によって、電流(キャリア)注入量に依存して回折格子層２６の屈折率が変化する。したがって、回折格子層を導波する信号光に対する等価屈折率ｎ_ｅも連動して変化する。（４）式から明らかなように、ｎ_ｅが変われば角度θが変わる。したがって、半導体光増幅素子１０Ｄによれば、回折格子層２６への電流値に応じて、増幅信号光の出力方向、即ち角度θを任意に変えることが可能であり、回折格子層２６の電流制御によって角度可変のブラッグ反射器として使用することが可能となる。

かかる半導体光増幅素子１０Ｄによれば、例えば、回折格子層２６に電流を注入することによって、増幅信号光の出力方向（角度θ）を必要に応じて変更することが可能である。また、例えば、回折格子層２６への電流値を変更することによって、増幅信号光の波長が変動しても増幅信号光の出力方向（角度θ）を一定に維持することが可能である。

また、半導体光増幅素子１０Ｄによれば、プロセス上の問題等で、回折格子の周期Λが設計値からある程度ずれて製造されても、（４）式が成り立つよう回折格子層２６への電流を制御することによって、増幅信号光の出力方向（角度θ）を所望の方向に調整することが可能である。即ち、半導体光増幅素子１０Ｄによれば、回折格子の作製誤差に起因する不良発生を低減できる。したがって、実プロセスにおける回折格子の許容寸法精度を大幅に緩和することが出来、製造歩留まりの向上や製造コストの削減を図ることが出来る。なお、半導体光増幅素子１０Ｄが有する回折格子層２６への電流注入構造は、上記第１〜第３の実施の形態の半導体光増幅素子の全てに適用可能である。

以上、本発明の第１〜第４の実施の形態について説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されることなく種々の変形が可能である。図７は、本発明の他の実施の形態にかかる半導体光増幅素子の断面図である。図７には、この半導体光増幅素子の活性層における光の導波方向に沿った縦断面が示されている。

図７に示す光増幅素子１０Ｅは、回折格子層２６上に設けられた反射制御層４０を有している。ここで、回折格子層２６からの反射光には、回折格子層２６より上側（反射制御層４０側）への反射光と、下側領域（下部クラッド層１４側）への反射光が存在する。両反射光の強度の大小関係は、反射制御層４０の屈折率と下部クラッド層１４の反射率との大小関係に依存する。すなわち、下部クラッド層１４より低屈折率の材料で反射制御層４０を構成すると、下部クラッド層１４側への反射光の強度が反射制御層４０側への反射光の強度より大きくなる。逆に、下部クラッド層１４より高屈折率の材料で反射制御層４０を構成すると、下部クラッド層１４側への反射光の強度が反射制御層４０側への反射光の強度より小さくなる。したがって、反射制御層４０の材料組成を調整し、反射制御層４０の屈折率を適宜制御することによって、用途に応じて出力する増幅信号光の強度を可変にすることができる。

この反射制御層４０によれば、用途、目的に応じて半導体光増幅素子１０Ｅからの増幅信号光を受ける受信器への信号強度を変化させることができるので、受信システムの設計の自由度が増すという利点がある。

反射制御層４０には、例えば、ＳｉＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、或いはＳｉＯ_２といった誘電体膜を使用することができる。これらの誘電体膜は、回折格子層２６の保護層としても機能する。

また、半導体光増幅素子１０Ｅは、第１の光閉じ込め層４２及び第２の光閉じ込め層４４を更に備えている。第１の光閉じ込め層４２は、活性層１８と下部クラッド層１４との間に設けられており、第２の光閉じ込め層４４は、活性層１８と上部クラッド層２０との間に設けられている。第１の光閉じ込め層４２は、活性層１８のバンドギャップエネルギーと下部クラッド層１４のバンドギャップエネルギーとの間のバンドギャップエネルギーを有する材料からなる。第２の光閉じ込め層４４は、活性層１８のバンドギャップエネルギーと上部クラッド層２０のバンドギャップエネルギーとの間のバンドギャップエネルギーを有する材料からなる。

第１の光閉じ込め層４２及び第２の光閉じ込め層４４によれば、上部及び下部クラッド層から活性層１８に向かって順にバンドギャップが低くなる。したがって、キャリアが、各層間の接合電位に起因するエネルギー障壁でトラップされること無く、第１及び第２の光閉じ込め層を介して上部及び下部クラッド層から活性層１８へ効率よく注入される。注入されたキャリアは、第１及び第２の光閉じ込め層と活性層１８間に形成される接合電位によって活性層１８に閉じ込められる。

また、第１の光閉じ込め層４２は、活性層１８の屈折率と下部クラッド層１４の屈折率との間の屈折率を有している。第２の光閉じ込め層４４は、活性層１８の屈折率と上部クラッド層２０の屈折率との間の屈折率を有している。

したがって、上部及び下部クラッド層は、活性層１８において発生された光を活性層１８、第１及び第２の光閉じ込め層に閉じ込めるように機能する。このように、第１及び第２の光閉じ込め層は、電流の閉じ込めと、光の閉じ込めを別個に行うことを可能にする。

このように第１の光閉じ込め層４２及び第２の光閉じ込め層４４を設けることによって、活性層１８への光の閉じ込めが強められ、誘導放出が効率よく生ずるようになるので、半導体光増幅素子の増幅特性が改善される。

特に量子井戸構造を有する活性層１８は、小さな光閉じ込め係数しか得られないが、第１及び第２の光閉じ込め層を導入することによって光閉じ込め係数を増大することができる。その結果、増幅特性を劇的に改善することができる。なお、第１の光閉じ込め層４２及び第２の光閉じ込め層４４の材料として、基板１２がＧａＡｓ基板の場合には、例えばＧａＡｓを用いることができる。また、第１の光閉じ込め層４２及び第２の光閉じ込め層４４の材料として、基板１２がＩｎＰ基板の場合には、例えばＧａＩｎＡｓＰを用いることが出来る。

また、本発明の半導体光増幅素子においては、各層を構成する材料がＡｌを含まない材料であることが好適である。一般にＡｌを含む半導体材料は非常に酸化されやすく、それに起因する結晶欠陥の増殖により、素子の特性や信頼性が損なわれたり、表面酸化の影響でその上に別の層を良好に結晶成長するのが困難となるなどの問題が生じる場合がある。一方、Ａｌを含まない材料であれば、このような酸化に起因する諸問題が生じないので、素子特性や製造歩留まり、信頼性を大きく改善することが出来る。

また、本発明の半導体光増幅素子は、他の能動素子(発光ダイオード、半導体レーザ、電解吸収型光変調素子、マッハツェンダー型光変調素子、PD、等)や光導波路といった受動領域とを集積した構成を有していてもよい。これら全ての素子形態において本発明を適用することによって、外付けフィルタの導入に伴うコスト増、システムの大型化といった問題点を解決することが可能である。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることができることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体光増幅素子の断面図である。 図２は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体光増幅素子の断面図である。 図３は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体光増幅素子の断面図である。 図４は、本発明の第４の実施形態に係る半導体光増幅素子を一部破断して示す斜視図である。 図５は、図４のV−V線に沿った断面図である。 図６は、図４のVI−VI線に沿った断面図である。 図７は、本発明の他の実施形態に係る半導体光増幅素子の断面図である。

符号の説明

１０…半導体光増幅素子、１２…基板、１４…下部クラッド層、１４ａ…領域（第１の領域）、１４ｂ…領域（第２の領域）、１６…下部電極、１８…活性層、２０…上部クラッド層、２２…コンタクト層、２４…上部電極、２６…回折格子層、２８…低反射膜。

Claims (9)

1. 所定方向に順に設けられた第１の領域及び第２の領域を有する第１導電型の下部クラッド層と、
   前記第１の領域に支持された第２導電型の上部クラッド層と、
   前記下部クラッド層の前記第１の領域と前記上部クラッド層との間に設けられた活性層と、
   前記活性層と光学的に結合され、前記所定方向に沿って設けられた回折格子を有し、前記第２の領域に支持された回折格子層と、
   を備え、
   前記下部クラッド層の前記第２の領域は、前記所定方向に延びる第３の領域と、該第３の領域の両側に設けられた第４の領域を有しており、
   前記回折格子層は、前記第３の領域に支持されており、
   前記第４の領域には、第２導電型の半導体層が設けられており、
   前記第２導電型の半導体層のバンドギャップは、前記回折格子層のバンドギャップより大きく、
   下部電極と、第１の上部電極と、前記第１の上部電極とは電気的に絶縁された第２の上部電極と、を更に備え、
   前記下部クラッド層、前記活性層、及び前記上部クラッド層は、前記下部電極と前記第１の上部電極との間に設けられており、
   前記下部クラッド層、及び前記第２導電型の半導体層は、前記下部電極と前記第２の上部電極との間に設けられており、
   前記所定方向は、光の導波方向であり、
   前記回折格子層には、前記所定方向に直交する方向において該回折格子層の両側に設けられた前記第２導電型の半導体層から電流が注入される、
   半導体光増幅素子。
2. 前記回折格子層の前記回折格子は、単一の格子周期を有する、請求項１に記載の半導体光増幅素子。
3. 前記回折格子層は、前記所定方向に順に設けられた複数の部分を有しており、
   前記複数の部分それぞれの回折格子の格子周期は、互いに異なっている、
   請求項１に記載の半導体光増幅素子。
4. 前記複数の部分それぞれから互いに異なる中心波長の光が実質的に同方向に出力されるように、該複数の部分それぞれの回折格子の格子周期が設定されている、請求項３に記載の半導体光増幅素子
5. 前記複数の部分それぞれから互いに異なる中心波長の光が異なる方向に出力されるように、該複数の部分それぞれの回折格子の格子周期が設定されている、請求項３に記載の半導体光増幅素子。
6. 前記回折格子層上に設けられた反射制御層を、更に備え、
   前記反射制御層は、前記回折格子層と異なる反射率を有している、
   請求項１〜５の何れか一項に記載の半導体光増幅素子。
7. 前記活性層と前記下部クラッド層との間に、該活性層のバンドギャップエネルギーと該下部クラッド層のバンドギャップエネルギーの間のバンドギャップエネルギーを有する第１の光閉じ込め層と、
   前記活性層と前記上部クラッド層との間に、該活性層のバンドギャップエネルギーと該上部クラッド層のバンドギャップエネルギーの間のバンドギャップエネルギーを有する第２の光閉じ込め層と、
   を更に備える、請求項１〜６の何れか一項に記載の半導体光増幅素子。
8. 前記下部クラッド層の前記第１の領域は、前記所定方向に延びる第５の領域と、前記第５の領域の両側に設けられた第６の領域とを有しており、
   前記活性層は、前記第５の領域に支持されており、
   前記上部クラッド層は、前記第６の領域、及び前記活性層上に設けられている、
   請求項１〜７の何れか一項に記載の半導体光増幅素子。
9. 前記複数の部分それぞれの回折格子の格子周期Λｉ（ｉ＝１〜Ｎ）は、
   Λ _ｉ ＝ｍλ _ｉ ／（ｎ _ｅ −ｎ _１ ｃｏｓ（θ _０ ））
   を満たすように設定されており、ここで、ｍは１以上の整数であり、ｎ _ｅ は前記回折格子層を導波する光に対する等価屈折率であり、ｎ _１ は前記回折格子層から光が出力される領域の屈折率であり、λ _ｉ は前記複数の部分それぞれから出力する光の中心波長であり、θ _０ は光がブラッグ反射される一定の角度である、
   請求項４に記載の半導体光増幅素子。

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