JP6240738B2 - 半導体光増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、半導体光増幅器に係り、特に、活性層が歪量子井戸構造を有する半導体光増幅器に関する。

従来から、光通信システムに用いられる半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）として、井戸層と障壁層からなる量子井戸構造を有する活性層を備えたものが知られている。このような量子井戸活性層は、量子閉じ込めがないバルク結晶からなる活性層と比較して状態密度が低減されているため、光学利得の波長帯域が広くなっている。量子井戸活性層においては、量子閉じ込め効果により重いホールバンドと軽いホールバンドとが乖離している。

ここで、量子井戸活性層全体が基板と格子整合している場合には、重いホールの基底量子準位は軽いホールの基底量子準位よりも（電子エネルギーで見た場合に）高エネルギー側に存在するため、ホールは重いホールの基底準位へ集中する。この重いホールのバンド端では、双極子モーメント行列要素の絶対値の２乗はＴＥモードにのみ応答するため、ＴＥモードの利得係数はＴＭモードの利得係数よりも大きくなる。

加えて、結晶成長方向を垂直方向とすると、量子井戸活性層は垂直方向の厚さに比較して水平方向の幅が大きいため、光閉じ込め係数はＴＥモードの方がＴＭモードより大きくなるので、ＴＥモードの光学利得はＴＭモードの光学利得を上回ることになる。

しかしながら、通常、光通信システムを構成する光ファイバや各種光素子の状態は、外的要因（環境温度や外力等）によって時々刻々変化し、これに起因して光通信システムから送出される光信号の偏波方向も時々刻々変化している。このため、光通信システムに用いられるＳＯＡには、任意の偏波方向の光信号に対して常に一定の光学利得を実現するために偏波無依存であることが求められる。

そこで、偏波無依存を実現するために、量子井戸活性層の井戸層に伸張歪を印加することにより、量子閉じ込め効果により乖離した重いホールバンドと軽いホールバンドを補正し、ＴＥモード及びＴＭモードの光学利得を一致させたＳＯＡが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

一方、量子井戸活性層の障壁層に伸張歪を印加することにより、１５５０ｎｍ光波長帯において偏波無依存を実現する歪多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造も提案されている（例えば、非特許文献２参照）。

非特許文献２では、障壁層に伸張歪を印加することにより、ＭＱＷ構造の全域に亘り、軽いホールの基底量子準位を重いホールの基底量子準位よりも高エネルギー側にシフトさせた構造となっている。この構造により、ＴＭモードの利得を向上させ、優れた偏波無依存の増幅動作特性を実現している。

P. Koonath, Sangin Kim, Woon-Jo Cho, A. Gopinath, "Polarization-insensitive quantum-well semiconductor optical amplifiers", IEEE Journal of Quantum Electronics, Volume 38, Issue 9, Sep 2002, p. 1282 -1290 K. Magari, M. Okamoto, Y. Noguchi, "1.55 μm polarization-insensitive high-gain tensile-strained-barrier MQW optical amplifier", IEEE Photonics Technology Letters, Volume 3, Issue11, Nov 1991, p. 998 -1000 J. Barrau, B. Brousseau, M. Brousseau, R. J. Simes and L. Goldstein, "Novel principle of confinement in quantum-well structures", Electronics Letters, Volume 28, Number 8, pp.786-788, 1992 C. P. Seltzer, S. D. Perrin, M. C. Tatham, D. M. Cooper, "Zero-net-strain multiquantum well lasers", Electronics Letters, Volume 27, Number 14, pp.1268-1270, 1991

しかしながら、非特許文献１に開示された構成のように、井戸層に均一に伸張歪を印加して偏波無依存のＳＯＡを実現する場合、以下に述べるように伸張歪の増大により電子のヘテロ障壁が減少するという問題が生じることが非特許文献３に掲載されている。

伝導帯の電子に対する実効的なヘテロ障壁は、図１４に示す井戸層５４１内の電子の基底量子準位と障壁層５４２の伝導帯端とのエネルギー差であるヘテロ障壁高さΔＥとなる。図１４（ａ）から図１４（ｂ）に示すように、井戸層５４１の伸張歪を増加させるとヘテロ障壁高さΔＥは減少し、電子が井戸層５４１から障壁層５４２及びクラッド層にオーバーフローして広い帯域の利得スペクトルが得られなくなるとともに、雑音指数（ＮＦ：Noise Figure）の低減が困難となる。

また、非特許文献３では、静電遮蔽現象により電子が空間的に局在し、伝導帯に量子準位が生じることが主張されている。しかしながら、このような現象の下で所望するＳＯＡの利得波長帯を設計することは困難である。そればかりでなく、例えばＳＯＡに入射する信号光強度が高速で大きく変化する場合、ＳＯＡ内のキャリア密度が高速で変化するため、静電遮蔽現象により形成された量子準位も変化し、信号光利得が低下するなどの問題も考えられる。

また、非特許文献２に開示された構成のように、障壁層に伸張歪を印加する構成に関しては、以下のような問題がある。本願出願人は、１３１０ｎｍ帯のスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ：Super Luminescent Diode）において、１％以上の伸張歪を有する障壁層を１０ｎｍ以上に亘って形成した場合に、障壁層と井戸層とのヘテロ界面の平坦性が失われる現象を観測している。従って、障壁層に上記のような伸張歪を印加することは、例えば１３１０ｎｍ帯のＳＯＡにおいては光学利得特性の劣化や製造の困難性に繋がると推察される。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、光通信を行う波長帯において、広い利得帯域に亘って偏波無依存の光増幅が可能な半導体光増幅器（ＳＯＡ）を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る半導体光増幅器は、障壁層と複数の半導体層からなる複合量子井戸層とを有し、当該障壁層と当該複合量子井戸層とが交互に積層されてなる量子井戸の活性層が基板上に形成された半導体光増幅器において、前記複合量子井戸層の前記複数の半導体層は、当該複合量子井戸層内の量子準位を制御する少なくとも１層の量子準位制御層と、当該量子準位制御層よりもバンドギャップの小さい少なくとも１層の主量子井戸層とからなり、電子の基底量子準位と前記障壁層の伝導帯端とのエネルギー差は電子のオーバーフローを抑制するように十分に大きく設定され、当該量子準位制御層及び当該主量子井戸層のうち、少なくとも１層が前記基板に対して伸張歪を有し、前記量子準位制御層は、前記複合量子井戸層内の軽いホールの基底量子準位を重いホールの基底量子準位に近づけるように制御し、かつ電子−重いホール間の再結合効率よりも電子−軽いホール間の再結合効率が高い構成を有している。

ここで、バンドギャップとは、電子エネルギーで見た場合、価電子帯における最も高いエネルギーを有する価電子帯端と伝導帯端のエネルギー差のことを指す。

この構成により、複合量子井戸層内における伸張歪を有する層の価電子帯構造が軽いホールの量子準位を高エネルギー側へシフトさせるため、重いホールと軽いホールの量子準位を接近させることができる。

このような価電子帯構造において、量子井戸面内方向の有効質量は軽いホールが重いホールより大きいため状態密度が大きくなり、先に記したようなＴＥモードの光閉じ込め係数のＴＭモードに対する優位を打ち消すように作用し、ＴＥモード及びＴＭモードの光学利得を一致させ偏波無依存を実現することができる。

また、複合量子井戸において主量子井戸層のバンドギャップが最も小さいことから、当該主量子井戸層は複合量子井戸内にポテンシャルが深い領域を生じさせるため、電子の量子準位エネルギーを低下させる。このため伝導帯の電子に関する実効的なヘテロ障壁高さを十分に大きくして電子のオーバーフローを低減できるので、利得帯域を拡大することができる。
また、本発明に係る半導体光増幅器では、前記量子準位制御層は、さらに、電子の基底量子準位を前記主量子井戸層の伝導帯端側から前記量子準位制御層の伝導帯端に近づけるように、あるいは一致させるように制御している構成であってもよい。
また、本発明に係る半導体光増幅器では、前記量子準位制御層は、さらに、電子の基底量子準位を前記量子準位制御層の伝導帯端側から前記主量子井戸層の伝導帯端に近づけるように、あるいは一致させるように制御している構成であってもよい。

また、本発明に係る半導体光増幅器では、前記複合量子井戸層の前記複数の半導体層が１層の前記主量子井戸層及び１層の前記量子準位制御層からなる構成を有している。

この構成により、本発明の半導体光増幅器における複合量子井戸層を構成する層数が最も少なくなるため製造性が向上する。

また、本発明に係る半導体光増幅器では、前記複合量子井戸層の前記複数の半導体層は、複数の前記量子準位制御層と、少なくとも１層以上の前記主量子井戸層とからなり、少なくとも２層以上の当該量子準位制御層が、少なくとも１層以上の当該主量子井戸層を両側から挟むように積層された構成を有している。

この構成により、複数の量子準位制御層及び主量子井戸層それぞれのバンドギャップ及び歪量を、独立に設定できるため本発明の半導体光増幅器が有する光学利得の波長域及び利得帯域などの設計の自由度が拡大できる。

また、この構成では複合量子井戸層内で伝導帯及び価電子帯ポテンシャルの形状を対称形状にできるため、電子−重いホール間の包絡波動関数の重なり積分値、及び、電子−軽いホール間の包絡波動関数の重なり積分値が向上するので、再結合効率を増大させることができ、さらなる光学利得の向上を実現することができる。

また、本発明に係る半導体光増幅器では、前記複合量子井戸層の前記複数の半導体層は、複数の前記量子準位制御層と、少なくとも１層以上の前記主量子井戸層とからなり、前記障壁層と複数の当該量子準位制御層の間に、少なくとも１層以上の当該主量子井戸層を配置するように積層された構成を有している。

また、本発明に係る半導体光増幅器では、前記主量子井戸層が前記基板に対して圧縮歪を有する構成を有している。

この構成では、量子準位制御層に印加する伸張歪量を大きくすることにより、電子、軽いホール、及び重いホールに関して所望の量子準位を形成することができる。

即ち、圧縮歪を有する主量子井戸層が重いホールの量子準位エネルギーを上昇させ、かつ軽いホールの量子準位を低下させる。一方、伸張歪を有する量子準位制御層は、重いホールの量子準位エネルギーを低下させ、かつ軽いホールの量子準位を上昇させる。また、量子井戸ポテンシャルによるホールの閉じ込め効果が原因となり、重いホールに比較して軽いホールの量子準位が大きく低下するので、量子準位制御層に印加する伸張歪を大きくすることにより、重いホール及び軽いホールの基底量子準位を所望の間隔まで接近させることができる。このような量子準位を有する活性層により偏波無依存動作ＳＯＡを実現できる。

また、本発明に係る半導体光増幅器では、前記主量子井戸層が前記基板に対して無歪である構成を有している。

この構成では、伸張歪を有する量子準位制御層の層厚を臨界膜厚以下とすることで、量子準位制御層の伸張歪量の絶対値を１％未満に設定することができる。これにより、複合量子井戸を構成する各層の界面における応力を低減できるので結晶欠陥の発生を抑えて、電子、軽いホール、及び重いホールに関して所望の量子準位を形成することができる。

また、本発明に係る半導体光増幅器では、前記主量子井戸層が前記基板に対して伸張歪を有する構成を有している。

この構成では、量子準位制御層に圧縮歪を印加することにより、電子、軽いホール、及び重いホールに関して所望の量子準位を形成することができる。

即ち、伸張歪を有する主量子井戸層が軽いホールの量子準位エネルギーを上昇させ、かつ重いホールの量子準位を低下させる。一方、圧縮歪を有する量子準位制御層は、軽いホールの量子準位エネルギーを低下させ、かつ重いホールの量子準位を上昇させる。また、量子井戸ポテンシャルによるホールの閉じ込め効果は、重いホールに比較して軽いホールの量子準位が大きく低下するので、量子準位制御層に比較的小さな圧縮歪を印加することにより、重いホール及び軽いホールの基底量子準位を所望の間隔まで接近させることができる。このような量子準位を有する活性層により偏波無依存動作ＳＯＡを実現できる。

また、本発明に係る半導体光増幅器では、前記量子準位制御層が前記基板に対して伸張歪を有する構成を有している。

この構成では、量子準位制御層に主量子井戸層とは異なる伸張歪を印加することにより、電子、軽いホール、及び重いホールに関して所望の量子準位を形成することができる。

即ち、伸張歪を有する主量子井戸層が軽いホールの量子準位エネルギーを上昇させ、かつ重いホールの量子準位を低下させる。一方、伸張歪を有する量子準位制御層も、軽いホールの量子準位を上昇させ、かつ重いホールの量子準位エネルギーを低下させる。また、障壁層と主量子井戸層及び量子準位制御層のポテンシャルによるホールの閉じ込め効果が原因となり、重いホールに比較して軽いホールの量子準位が大きく低下するので、主量子井戸層及び量子準位制御層に印加する伸張歪を適宜設定することにより、重いホール及び軽いホールの基底量子準位を所望の間隔まで接近させることができる。このような量子準位を有する活性層により偏波無依存動作ＳＯＡを実現できる。

また、このような層構成により、例えば、請求項８に述べた構成と比較して量子準位制御層の伸張歪を低減できるため、複合量子井戸層の平均歪量を抑圧できる。これにより、複合量子井戸層を有する活性層の結晶性を向上することができる。

また、本発明に係る半導体光増幅器では、前記複合量子井戸層がＩＩＩ−Ｖ族混晶であるＩｎＧａＡｓＰからなる構成を有している。
また、本発明に係る半導体光増幅器では、前記複合量子井戸層がＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＡｓまたはＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰからなる構成であってもよい。
また、本発明に係る半導体光増幅器では、前記複合量子井戸層がＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰからなる構成であってもよい。

この構成により、ＩｎＧａＡｓＰ混晶の組成を調整することで軽いホール帯端及び、重いホール帯端を光通信波長帯において半導体光増幅器として所望のエネルギーレベルへシフトさせたポテンシャル構造を形成することができる。
また、本発明の請求項１２の半導体光増幅器では、前記複合量子井戸層がＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＡｓまたはＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰからなる構成であってもよい。
また、本発明の請求項１３の半導体光増幅器では、前記複合量子井戸層がＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰからなる構成であってもよい。

本発明は、複合量子井戸層構造を構成する複数の半導体層のうちの少なくとも１層に伸張歪が印加されることにより、光通信を行う波長帯において、広い利得帯域に亘って偏波無依存の光増幅が可能な半導体光増幅器を提供するものである。

本発明の実施形態としての半導体光増幅器の構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態としての半導体光増幅器の要部の構成を示す拡大断面図である。 本発明の第１の実施形態としての半導体光増幅器のバンド構造の一例を示す模式図である。 図３のバンド構造の伝導帯側を拡大して示す模式図である。 図３のバンド構造の価電子帯側を拡大して示す模式図である。 本発明の第２〜第５の実施形態としての半導体光増幅器の要部の構成を示す拡大断面図である。 本発明の第２の実施形態としての半導体光増幅器のバンド構造の一例を示す模式図である。 本発明の第３の実施形態としての半導体光増幅器のバンド構造の一例を示す模式図である。 本発明の第４の実施形態としての半導体光増幅器のバンド構造の一例を示す模式図である。 本発明の半導体光増幅器の構造条件を示す図である。 本発明の第５の実施形態としての半導体光増幅器のバンド構造の一例を示す模式図である。 本発明の半導体光増幅器の駆動電流に対する光学利得特性の一例を示すグラフである。 本発明の半導体光増幅器における歪補償構造の構造例を示す模式図である。 量子井戸構造の伝導帯の電子に対する実効的なヘテロ障壁と伸張歪の関係を説明する模式図である。

以下、本発明に係る半導体光増幅器（ＳＯＡ）の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、各図面上の各構成の寸法比は、実際の寸法比と必ずしも一致していない。また、図３〜５，７〜９，１１に示すバンド構造図において、伝導帯端（Ｅ_ｃ）を太い実線で表し、価電子帯側の重いホール帯端（Ｅ_ｈｈ）及び軽いホール帯端（Ｅ_ｌｈ）を、それぞれ太い実線及び太い破線で表す。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態としてのＳＯＡ１の構成について説明する。図１はＳＯＡ１の構成を示す斜視図であり、図２はＳＯＡ１の要部の構造を示す拡大断面図である。

即ち、図１に示すように、ＳＯＡ１は、例えば、ｎ型ＩｎＰ（インジウム・リン）からなるｎ型半導体基板１１と、ｎ型半導体基板１１の上に形成されるｎ型ＩｎＰからなるｎ型クラッド層１２と、ｎ型クラッド層１２の上に形成されるＩｎＧａＡｓＰ（インジウム・ガリウム・砒素・リン）からなる光分離閉じ込め（ＳＣＨ：Separate Confinement Heterostructure）層１３と、ＳＣＨ層１３の上に形成されるＩｎＧａＡｓＰからなる活性層１４と、活性層１４の上に形成されるＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１５と、ＳＣＨ層１５の上に形成されるｐ型ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８と、を備える。また、半導体基板１１をｐ型ＩｎＰとする構成では、ｎ型クラッド層１２をｐ型ＩｎＰに置き換え、ｐ型クラッド層１８をｎ型ＩｎＰに置き換えれば良い。

なお、ｎ型クラッド層１２、ＳＣＨ層１３、活性層１４、及びＳＣＨ層１５、及びｐ型クラッド層１８はメサ型の光導波路を構成しており、このメサ型の光導波路の両側方にｐ型ＩｎＰからなる下部埋め込み層１６及びｎ型ＩｎＰからなる上部埋め込み層１７が形成されている。

また、このメサ型光導波路を基本横モード光が伝搬する方向を導波路の主軸方向とすると、ＳＯＡ端面からメサ型光導波路に帰還する光を低減する目的で、前記端面の法線方向に対して前記主軸の方向を傾けたメサ型光導波路構成や、前記端面近傍でメサ型光導波路に水平面内において光導波損失が十分小さくなる程度の曲率半径を与え、前記端面に導波光が斜めに入射する構成としても良い。

ｐ型ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８はＳＣＨ層１５の上側及び上部埋め込み層１７の上面に形成されており、このｐ型クラッド層１８の上面には、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなるｐ型コンタクト層１９が形成されている。さらに、このｐ型コンタクト層１９の上面には、ｐ型金属電極２０が設けられている。また、ｎ型半導体基板１１の下面にはｎ型金属電極２１が設けられている。

また、ＳＯＡ１の劈開によって形成された光入射端面及び光出射端面には、それぞれ反射防止膜（図示せず）が施されている。

活性層１４は、図２の拡大断面図に示すように、複数の半導体層からなる複合量子井戸層１４１と障壁層１４２とが繰返し交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造を有する。あるいは、活性層１４は、２つの障壁層１４２の間に１つの複合量子井戸層１４１が挟まれた単一量子井戸（ＳＱＷ：Single Quantum Well）構造を有するものであっても良い。また、活性層１４は、障壁層１４２を介さず、複合量子井戸層１４１を直接にＳＣＨ層１３及びＳＣＨ層１５で挟むＳＱＷ構造を有するものであっても良い。

複合量子井戸層１４１は、ｎ型半導体基板１１に対して伸張歪を有する量子準位制御層（歪印加層）１４３と、バンドギャップが量子準位制御層１４３よりも小さい主量子井戸層１４４と、を含む。

また、障壁層１４２は、量子準位制御層１４３及び主量子井戸層１４４よりも大きなバンドギャップを有している。なお、バンドギャップとは、特に指定しない限り伝導帯端と価電子帯端とのエネルギー差のうち最も小さいエネルギー差である。

２層の障壁層１４２の間には、複合量子井戸層１４１を構成する量子準位制御層１４３と主量子井戸層１４４とが隣接して積層された対が１つ配置される。主量子井戸層１４４はｎ型半導体基板１１に対して無歪またはほぼ無歪である。あるいは、主量子井戸層１４４は、ｎ型半導体基板１１に対して伸張歪または圧縮歪を有していても良い。

図２に示すように、ｎ型クラッド層１２側から、障壁層１４２、主量子井戸層１４４、量子準位制御層１４３、障壁層１４２の順に層が積層されている。あるいは、ｎ型クラッド層１２側から、障壁層１４２、量子準位制御層１４３、主量子井戸層１４４、障壁層１４２の順に層が積層されていても良い。

また、ＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１３は、そのバンドギャップがｎ型クラッド層１２と障壁層１４２の間の範囲にある。同様に、ＳＣＨ層１５のバンドギャップは、ｐ型クラッド層１８と障壁層１４２の間の範囲にある。

上記のように構成されたＳＯＡ１においては、ｐ型金属電極２０とｎ型金属電極２１との間に順方向に駆動電流が注入された状態で入射光が活性層１４を伝搬すると、複合量子井戸層１４１の電子と軽いホールとの再結合による誘導放出により、主にＴＭモードの光学利得が得られる。同時に、複合量子井戸層１４１の電子と重いホールとの再結合による誘導放出により、主にＴＥモードの光学利得が得られる。

図３は、ＳＯＡ１のバンド構造の要部を模式的に示す図である。なお、図３では、上方が電子に対するエネルギーが高くなるようにバンド構造が示されている。

図３は、量子準位制御層１４３の層厚が主量子井戸層１４４の層厚よりも大きく設計されたバンド構造の例を示している。量子準位制御層１４３では伸張歪により価電子帯の軽いホール帯端Ｅ_ｌｈと重いホール帯端Ｅ_ｈｈの縮退が解けている。また、主量子井戸層１４４は無歪であるため、主量子井戸層１４４においては軽いホール帯端Ｅ_ｌｈと重いホール帯端Ｅ_ｈｈは縮退している。

具体的には、量子準位制御層１４３の軽いホール帯端Ｅ_ｌｈが主量子井戸層１４４の価電子帯端Ｅ_Ｖよりも高エネルギー側にシフトするとともに、量子準位制御層１４３の重いホール帯端Ｅ_ｈｈが主量子井戸層１４４の価電子帯端Ｅ_Ｖよりも低エネルギー側にシフトする。また、主量子井戸層１４４は量子準位制御層１４３よりバンドギャップが小さいため、量子準位制御層１４３における伝導帯端Ｅ_Ｃが主量子井戸層１４４の伝導帯端Ｅ_Ｃよりも高エネルギー側に存在する。

上記の構成により、軽いホールは複合量子井戸層１４１全体に広がるので、軽いホールの基底量子準位のエネルギーは大きくなる。一方、重いホールは主量子井戸層１４４の近傍に局在する傾向となるため、重いホールの基底量子準位のエネルギーは低下する。

さらに、軽いホール帯端Ｅ_ｌｈが重いホール帯端Ｅ_ｈｈよりも高エネルギー側に位置しているため、軽いホールの基底量子準位が高エネルギー側にシフトして重いホールの基底量子準位に近づく。つまり、伸張歪を有する量子準位制御層１４３は、複合量子井戸層１４１内の軽いホールの基底量子準位を重いホールの基底量子準位に近づけるように制御していると言える。この結果、ＴＥモードの光学利得とＴＭモードの光学利得を一致させて、偏波無依存を実現することができる。

このような構成は、歪量子井戸構造が作製可能な例えば、ＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＡｓ，ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ，ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰに適用することができる。

特に、図３の例で顕著であるが、電子に対するポテンシャルと重いホールに対するポテンシャルの形状は複合量子井戸層１４１内で非対称であるため、電子及び重いホールの存在確率密度分布は複合量子井戸層１４１の中心から偏っている。ここで、電子（またはホール）の存在確率密度分布とは、電子（またはホール）の波動関数ψ（ｘ）の絶対値の２乗｜ψ（ｘ）｜^２に相当するものである。

一方、軽いホールに対するポテンシャルは、その矩形形状の幅が主量子井戸層１４４の層厚よりも十分に大きな量子準位制御層１４３の層厚で規定されるため、軽いホールの存在確率密度分布は複合量子井戸層１４１内でほぼ対称な分布となる。

このようなポテンシャル設計により、重いホール及び軽いホールの基底量子準位を十分接近させることができる。また、ＴＥモードの光学利得が主である電子−重いホール間の再結合率よりも、ＴＭモードの光学利得が主である電子−軽いホール間の再結合率が大きくなる。

先にも述べたように、一般的なスラブ型の量子井戸活性層は水平方向に広いためＴＥモードの光閉じ込め係数がＴＭモードの同係数に比較してより大きくなるが、上記のポテンシャル設計により、ＴＥモードの光学利得が相対的に大きくなる問題を軽減することも期待できる。これにより、光学利得の偏波無依存化の実現が容易になる。

また、図３に示したバンド構造について、複合量子井戸層１４１の一部を構成する主量子井戸層１４４は、量子準位制御層１４３よりも伸張歪量が小さいため、井戸層全体に均一な伸張歪が印加された従来の構成と比較して、複合量子井戸層１４１の伝導帯における電子の基底量子準位が低く抑えられる。この結果、複合量子井戸層１４１の電子の基底量子準位と障壁層１４２の伝導帯端とのエネルギー差であるヘテロ障壁高さΔＥが大幅に減少することを回避でき、複合量子井戸層１４１から障壁層１４２への電子のオーバーフローを抑制することができる。

図４は、図３のバンド構造の伝導帯側を拡大して示す図である。以下では、非特許文献１に掲載されているＩｎＧａＡｓＰ井戸層に均一な伸張歪が印加された従来の構成における活性層の実効的なヘテロ障壁高さΔＥ'と、本実施形態の構成であるＳＯＡ１における活性層１４の実効的なヘテロ障壁高さΔＥをシミュレーションにより比較した結果を説明する。

シミュレーションの結果、非特許文献１に示されているＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系よりなる従来の構成におけるヘテロ障壁高さΔＥ'が３０．８ｍｅＶとなったのに対し、本実施形態のＳＯＡ１におけるヘテロ障壁高さΔＥは５３．６ｍｅＶとなり、本実施形態のＳＯＡ１では電子のオーバーフローを防止する効果が高いことが確認できた。

図５は、図３のバンド構造の価電子帯側を拡大して示す図である。図５に示したバンド構造においては、軽いホール帯端Ｅ_ｌｈが凸型形状となっている。このようなポテンシャル設計により、重いホールの基底量子準位と軽いホールの基底量子準位との基底準位差をバンド内緩和のエネルギー幅（約６．６ｍｅＶ）よりも狭くすることができ、これら２つの基底量子準位を信号光の偏波無依存増幅が実現できるレベルまで近づけることが可能となる。

以下、本発明に係るＳＯＡ１の製造方法の一例を説明する。
まず、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いてｎ型ＩｎＰからなるｎ型半導体基板１１上に、ｎ型ＩｎＰからなるｎ型クラッド層１２、これに引き続きＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１３をエピタキシャル成長する。なお、このＳＣＨ層１３のバンドギャップはｎ型クラッド層１２と障壁層１４２の間の範囲にある。

次に、ＳＣＨ層１３の上に、ＩｎＧａＡｓＰからなる障壁層１４２、ｎ型半導体基板１１に対して無歪またはほぼ無歪のＩｎＧａＡｓＰからなる主量子井戸層１４４、ｎ型半導体基板１１に対して伸張歪を有するＩｎＧａＡｓＰからなる量子準位制御層１４３、及びＩｎＧａＡｓＰからなる障壁層１４２がこの順に積層されてなるＭＱＷ構造またはＳＱＷ構造の活性層１４を形成する。なお、主量子井戸層１４４の歪量に関しては、本発明の半導体光増幅器に要求される利得波長帯域などにより、既に述べたようにｎ型半導体基板１１に対して無歪ばかりではなく圧縮歪や伸張歪を設定することもできる。

このようにして形成された活性層１４の上に、バンドギャップがｐ型クラッド層１８と障壁層１４２の間の範囲にあるＳＣＨ層１５を形成する。

次に、ＳＣＨ層１５の上に、ｐ型ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８の下層部を成長形成する。さらに、プラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＮ_x膜またはＳｉＯ₂膜からなる絶縁膜をｐ型クラッド層１８の下層部の上面に積層した後、レジストを塗布し、フォトリソグラフィによってストライプ状のマスクパターンを露光して現像する。

このストライプ状のマスクパターンを用いて、絶縁膜の両側をフッ酸によるエッチングで除去する。続いて残ったレジストを剥離除去して、ストライプ状のマスクパターンの形状が転写された絶縁膜のエッチングマスクを形成する。

そして、上記により設定された絶縁膜のエッチングマスクと、塩酸、過酸化水素水、及び水の混合液からなるエッチング液を用いて、ｐ型クラッド層１８の下層部、ＳＣＨ層１５、活性層１４、ＳＣＨ層１３、ｎ型クラッド層１２をウェットエッチングして、メサストライプを形成する。

次に、ウェットエッチングで除去された部分にＭＯＶＰＥ法を用い、絶縁膜のエッチングマスクを成長阻害マスクとして利用して、ｐ型ＩｎＰからなる下部埋め込み層１６及びｎ型ＩｎＰからなる上部埋め込み層１７を順次積層して埋め込む。

次に、絶縁膜のエッチングマスクをフッ酸で除去して、メサストライプの上面を表出し、ｐ型クラッド層１８の下層部と組成の等しいｐ型ＩｎＰからなる埋め込み層を積層してｐ型クラッド層１８を完成し、その上部にｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなるｐ型コンタクト層１９をＭＯＶＰＥ法によって積層する。

そして、ｐ型コンタクト層１９上にｐ型金属電極２０を、ｎ型半導体基板１１の底面にｎ型金属電極２１を蒸着法で形成して、アロイ、メッキ工程を行い、半導体ウエハを完成する。

次に、この半導体ウエハに対して所定位置で劈開やダイシングを行うことにより、個々のチップに分離する。さらに、分離されたチップの光入射端面及び光出射端面に反射防止膜（図示せず）を形成する。これで本実施形態のＳＯＡ１が完成する。

以上説明したように、本実施形態のＳＯＡ１は、重いホールと軽いホールの量子準位を接近させてＴＥモード及びＴＭモードの光学利得を一致させ、偏波無依存を実現することができる。

また、本実施形態のＳＯＡ１は、伝導帯の電子に関する実効的なヘテロ障壁高さΔＥを十分に大きくして、複合量子井戸層１４１から障壁層１４２に漏れ出る電子を低減することができる。

これにより、本発明の半導体光増幅器を動作させる際の無効電流を抑圧できる。また、複合量子井戸層１４１内のキャリア密度を高くできるため、光学利得の向上、光学利得波長帯域の拡大、及び雑音指数（ＮＦ：Noise Figure）の低減を実現することができる。

また、本実施形態のＳＯＡ１を１３１０ｎｍ波長帯に適用する場合においては、特に障壁層１４２をｎ型半導体基板１１に対して無歪と設定することにより、障壁層１４２と複合量子井戸層１４１とのヘテロ界面の平坦性を十分に保つことが可能となるため、良好な光学利得特性と製造の容易性とを実現することができる。これにより、ＳＯＡを光学利得特性の劣化をもたらさずに容易に製造することが可能となる。なお、１３１０ｎｍ帯とは、１２８０ｎｍ〜１３４０ｎｍの波長を含むものとする。

また、本実施形態のＳＯＡ１は、特に主量子井戸層１４４がｎ型半導体基板１１に対して無歪である場合には、活性層１４全体の歪量を抑えて、効果的に複合量子井戸層１４１内において所望のポテンシャルを形成することができる。

以下に述べるように、主量子井戸層１４４のバンドギャップ波長と層厚を変えながら量子準位制御層１４３の層厚と歪量の関係についてシミュレーションすることにより、本実施形態のＳＯＡ１を作製するための構造条件を調べた。その結果を図１０に示す。

図１０では、横軸をナノメートル（ｎｍ）単位で表した量子準位制御層１４３の層厚（ｄ_ＱＬＣ）とし、縦軸をパーセント（％）単位で表した量子準位制御層１４３の歪量（ε_ＱＬＣ）としている。

例えば１３００ｎｍ波長帯に対して本実施形態のＳＯＡ１を適用した場合、図１０（ａ）に斜線を施した領域、即ち、以下の（１）式と（２）式で表す直線ｆ１（ｄ_ＱＬＣ）及びｆ２（ｄ_ＱＬＣ）に挟まれた領域で、かつ、−１．５％≦ε_ＱＬＣ＜０の条件で、ＳＯＡ１を作製できることがわかった。
ｆ１（ｄ_ＱＬＣ）＝０．２４×ｄ_ＱＬＣ−１．９ ・・・・・（１）
ｆ２（ｄ_ＱＬＣ）＝０．２４×ｄ_ＱＬＣ−２．９５ ・・・・・（２）

なお、（１）式は利得波長帯の限界線となり、この直線よりε_ＱＬＣが大きく、かつ負となる領域では、利得波長帯が１３００ｎｍからシフトしてしまう。また、（２）式で示す直線よりε_ＱＬＣが小さく、かつ負となる領域、及び、ε_ＱＬＣ＜−１．５％である領域では、量子準位制御層１４３と障壁層１４２の界面においてヘテロ障壁がＴｙｐｅ−ＩＩ型となり、電子の輸送を妨げるバンド構造となってしまう。

また、例えば１５００ｎｍ波長帯に対して本実施形態のＳＯＡ１を適用した場合、図１０（ｂ）に斜線を施した領域、即ち、以下の（３）式と（４）式で表す直線ｆ３（ｄ_ＱＬＣ）及びｆ４（ｄ_ＱＬＣ）に挟まれた領域で、かつ、−１．５％≦ε_ＱＬＣ＜０の条件で、ＳＯＡ１を作製できることがわかった。
ｆ３（ｄ_ＱＬＣ）＝０．２５×ｄ_ＱＬＣ−２．０ ・・・・・（３）
ｆ４（ｄ_ＱＬＣ）＝０．２×ｄ_ＱＬＣ−４．０ ・・・・・（４）

なお、（３）式は量子準位制御層１４３の混晶組成の限界線となり、この直線よりε_ＱＬＣが大きく、かつ負となる領域では、量子準位制御層を成長することができない。一方、（４）式で示す直線よりε_ＱＬＣが小さく、かつ負となる領域では、量子準位制御層１４３の層厚が臨界膜厚を超えるようになり、良好な結晶成長が困難となる。

また、ε_ＱＬＣ＜−１．５％である領域では、量子準位制御層１４３と障壁層１４２の界面においてヘテロ障壁がＴｙｐｅ−ＩＩ型となり、電子の輸送を妨げるバンド構造となってしまう。

（第２の実施形態）
続いて、本発明における第２の実施形態としてのＳＯＡ２について図面を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態と同様の構成及び動作については適宜説明を省略する。

図６の拡大断面図に示すように、活性層２４は、複数の半導体層からなる複合量子井戸層２４１と障壁層１４２とが繰返し交互に積層されたＭＱＷ構造を有する。あるいは、活性層２４は、２つの障壁層１４２の間に１つの複合量子井戸層２４１が挟まれたＳＱＷ構造を有するものであっても良い。また、活性層２４は、障壁層１４２を介さず、複合量子井戸層２４１を直接にＳＣＨ層１３及びＳＣＨ層１５で挟むＳＱＷ構造を有するものであっても良い。

本実施形態においては、複合量子井戸層２４１は、複数の量子準位制御層１４３と、当該複数の量子準位制御層１４３よりバンドギャップの小さい主量子井戸層１４４と、を有し、量子準位制御層１４３と主量子井戸層１４４とが交互に積層されてなる。ここで、複数の量子準位制御層１４３は層厚及びバンドギャップが全て等しいものとする。

以下では、２つの量子準位制御層１４３の間に１つの主量子井戸層１４４が挟まれた構造を例に挙げて説明する。

図７は、ＳＯＡ２のバンド構造の要部を模式的に示す図である。図７に示す例では、量子準位制御層１４３において伸張歪により価電子帯の軽いホール帯端Ｅ_ｌｈと重いホール帯端Ｅ_ｈｈの縮退が解け、軽いホール帯端Ｅ_ｌｈが重いホール帯端Ｅ_ｈｈより高エネルギー側にシフトしている。また、主量子井戸層１４４においては、圧縮歪により軽いホール帯端Ｅ_ｌｈが重いホール帯端Ｅ_ｈｈより低エネルギー側へシフトすることにより価電子帯の縮退が解けている。

具体的には、量子準位制御層１４３の軽いホール帯端Ｅ_ｌｈが主量子井戸層１４４の軽いホール帯端Ｅ_ｌｈよりも高エネルギー側に存在するとともに、量子準位制御層１４３の重いホール帯端Ｅ_ｈｈが主量子井戸層１４４の重いホール帯端Ｅ_ｈｈよりも低エネルギー側に位置する。

つまり、複合量子井戸層２４１内において、伸張歪を有する量子準位制御層１４３は、圧縮歪を有する主量子井戸層１４４による軽いホールの基底量子準位の低エネルギー側へのシフト量を相殺して、軽いホールの基底量子準位を重いホールの基底量子準位に近づけるように制御していると言える。

ここで説明したＳＯＡ２では、電子、軽いホール、及び重いホールに対するポテンシャルは、いずれも複合量子井戸層２４１内で対称形状となるため、電子、軽いホール、及び重いホールの存在確率密度分布もいずれも複合量子井戸層２４１内で対称な分布となる。

また、第１の実施形態のＳＯＡ１と比較して、伸張歪を有する量子準位制御層１４３の一層当たりの層厚が薄くなるため、更に良好なヘテロ界面を形成できる。

（第３の実施形態）
図８は、ＳＯＡ３のバンド構造の要部を模式的に示す図である。図８に示す例では、量子準位制御層１４３において伸張歪により価電子帯の軽いホール帯端Ｅ_ｌｈと重いホール帯端Ｅ_ｈｈの縮退が解け、軽いホール帯端Ｅ_ｌｈが重いホール帯端Ｅ_ｈｈより高エネルギー側にシフトしている。また、主量子井戸層１４４は無歪であるため、主量子井戸層１４４においては軽いホール帯端Ｅ_ｌｈと重いホール帯端Ｅ_ｈｈは縮退している。

具体的には、量子準位制御層１４３の軽いホール帯端Ｅ_ｌｈが主量子井戸層１４４の価電子帯端Ｅ_Ｖよりも高エネルギー側にシフトするとともに、量子準位制御層１４３の重いホール帯端Ｅ_ｈｈが主量子井戸層１４４の価電子帯端Ｅ_Ｖよりも低エネルギー側にシフトする。

つまり、伸張歪を有する量子準位制御層１４３は、複合量子井戸層２４１内の軽いホールの基底量子準位を重いホールの基底量子準位に近づけるように制御していると言える。

ここで説明したＳＯＡ３では、電子、軽いホール、及び重いホールに対するポテンシャルは、いずれも複合量子井戸層２４１内で対称形状となるため、電子、軽いホール、及び重いホールの存在確率密度分布もいずれも複合量子井戸層２４１内で対称な分布となる。

（第４の実施形態）
図９は、ＳＯＡ４のバンド構造の要部を模式的に示す図である。図９に示す例では、量子準位制御層１４３において伸張歪により価電子帯の軽いホール帯端Ｅ_ｌｈと重いホール帯端Ｅ_ｈｈの縮退が解け、軽いホール帯端Ｅ_ｈｈが重いホール帯端Ｅ_ｌｈより高エネルギー側にシフトしている。また、主量子井戸層１４４においても、伸張歪により軽いホール帯端Ｅ_ｌｈが重いホール帯端Ｅ_ｈｈより高エネルギー側へシフトすることにより価電子帯の縮退が解けている。

具体的には、量子準位制御層１４３の軽いホール帯端Ｅ_ｌｈが主量子井戸層１４４の軽いホール帯端Ｅ_ｌｈよりも高エネルギー側に存在するとともに、量子準位制御層１４３の重いホール帯端Ｅ_ｈｈは主量子井戸層１４４の重いホール帯端Ｅ_ｈｈよりも低エネルギー側に位置する。

つまり、複合量子井戸層２４１内において、伸張歪を有する主量子井戸層１４４及び量子準位制御層１４３は、複合量子井戸層の価電子帯が形成するポテンシャルによる量子サイズ効果のために生じる、軽いホールの基底量子準位が低エネルギー側へシフトする現象を抑制している。

この作用により、ＳＯＡ４は、軽いホールの基底量子準位を重いホールの基底量子準位に近づけるように制御していると言える。また、このような層構成により、例えば、ＳＯＡ３と比較して量子準位制御層１４３の伸張歪を低減できる。このため、複合量子井戸層２４１の平均歪量を抑圧できるので複合量子井戸層２４１の結晶性を向上できる利点がある。

ここで説明したＳＯＡ４では、電子、軽いホール、及び重いホールに対するポテンシャルは、いずれも複合量子井戸層２４１内で対称形状となるため、電子、軽いホール、及び重いホールの存在確率密度分布もいずれも複合量子井戸層２４１内で対称な分布となる。

以下に述べるように、量子準位制御層１４３が伸長歪を有する構成例について、主量子井戸層１４４のバンドギャップ波長と層厚を変えながら量子準位制御層１４３の層厚と歪量の関係についてシミュレーションすることにより、本実施形態のＳＯＡ２からＳＯＡ４を作製するための構造条件を調べた。その結果を図１０に示す。

図１０では、横軸をナノメートル（ｎｍ）単位で表した量子準位制御層１４３の層厚（ｄ_ＱＬＣ）とし、また縦軸をパーセント（％）単位で表した量子準位制御層１４３の歪量（ε_ＱＬＣ）としている。

例えば１３００ｎｍ波長帯に対して本実施形態のＳＯＡ２からＳＯＡ４を適用した場合、図１０（ｃ）に斜線を施した領域、即ち、以下の（５）式と（６）式で表す直線ｆ５（ｄ_ＱＬＣ）及びｆ６（ｄ_ＱＬＣ）に挟まれた領域で、かつ、ε_ＱＬＣ＜０及びｄ_ＱＬＣ≧２ｎｍの条件で、ＳＯＡ２からＳＯＡ４を作製できることがわかった。
ｆ５（ｄ_ＱＬＣ）＝０．０６×ｄ_ＱＬＣ−０．６７ ・・・・・（５）
ｆ６（ｄ_ＱＬＣ）＝０．０４×ｄ_ＱＬＣ−１．３８ ・・・・・（６）

なお、（５）式は利得波長帯の限界線となり、この直線よりε_ＱＬＣが大きく、かつ負となる領域では、利得波長帯が１３００ｎｍからシフトしてしまう。一方、（６）式で示す直線よりε_ＱＬＣが小さく、かつ負となる領域では、量子準位制御層１４３と障壁層１４２の界面においてヘテロ障壁がＴｙｐｅ−ＩＩ型となり、電子の輸送を妨げるバンド構造となってしまう。また、ｄ_ＱＬＣ＜２ｎｍの条件では、量子準位制御層１４３による量子準位の制御が困難となる。

また、例えば１５００ｎｍ波長帯に対して本実施形態のＳＯＡ２からＳＯＡ４を適用した場合、図１０（ｄ）に斜線を施した領域、即ち、以下の（７）式と（８）式で表す直線ｆ７（ｄ_ＱＬＣ）及びｆ８（ｄ_ＱＬＣ）に挟まれた領域で、かつ、−１．５％≦ε_ＱＬＣ＜０の条件で、ＳＯＡ２からＳＯＡ４を作製できることがわかった。
ｆ７（ｄ_ＱＬＣ）＝０．４３２×ｄ_ＱＬＣ−２．３２ ・・・・・（７）
ｆ８（ｄ_ＱＬＣ）＝０．２×ｄ_ＱＬＣ−４．０ ・・・・・（８）

なお、（７）式は量子準位制御層１４３の混晶組成の限界線となり、この直線よりε_ＱＬＣが大きく、かつ負となる領域では、量子準位制御層を成長することができない。一方、（８）式で示す直線よりε_ＱＬＣが小さく、かつ負となる領域では、量子準位制御層１４３の層厚が臨界膜厚を超えるようになり、良好な結晶成長が困難となる。

また、ε_ＱＬＣ＜−１．５％である領域では、量子準位制御層１４３と障壁層１４２の界面においてヘテロ障壁がＴｙｐｅ−ＩＩ型となり、電子の輸送を妨げるバンド構造となってしまう。

（第５の実施形態）
図１１は、第５の実施形態としてのＳＯＡ５のバンド構造の要部を模式的に示す図である。この構成は第４の実施形態の変形構造である。図１１に示す例では、量子準位制御層１４３において圧縮歪により価電子帯の軽いホール帯端Ｅ_ｌｈと重いホール帯端Ｅ_ｈｈの縮退が解け、重いホール帯端Ｅ_ｈｈが軽いホール帯端Ｅ_ｌｈより高エネルギー側にシフトしている。また、主量子井戸層１４４においては、伸張歪により軽いホール帯端Ｅ_ｌｈが重いホール帯端Ｅ_ｈｈより高エネルギー側へシフトすることにより価電子帯の縮退が解けている。

具体的には、量子準位制御層１４３の軽いホール帯端Ｅ_ｌｈが主量子井戸層１４４の軽いホール帯端Ｅ_ｌｈよりも低エネルギー側に存在するとともに、量子準位制御層１４３の重いホール帯端Ｅ_ｈｈも主量子井戸層１４４の重いホール帯端Ｅ_ｈｈよりも低エネルギー側に位置する。

つまり、複合量子井戸層３４１内において、圧縮歪を有する量子準位制御層１４３は、伸張歪を有する主量子井戸層１４４による軽いホールの基底量子準位の高エネルギー側へのシフト量を抑制して、軽いホールの基底量子準位を重いホールの基底量子準位に近づけるように制御していると言える。

ここで説明したＳＯＡ５では、電子、軽いホール、及び重いホールに対するポテンシャルは、いずれも複合量子井戸層３４１内で対称形状となるため、電子、軽いホール、及び重いホールの存在確率密度分布もいずれも複合量子井戸層３４１内で対称な分布となる。

ＳＯＡ２、ＳＯＡ３、ＳＯＡ４、及びＳＯＡ５について説明したようなポテンシャル設計により、光学利得の偏波無依存化を実現でき、第１の実施形態で説明した非対称型のポテンシャルを有する複合量子井戸構造に比較して、電子−重いホール間の再結合率、及び、電子−軽いホール間の再結合率を促進させ、光学利得の向上を実現することができる。

図１２は、本発明に係るＳＯＡについて、ｐ型金属電極２０とｎ型金属電極２１を介して順方向に注入された駆動電流に対する、ＴＥモード及びＴＭモードの光学利得特性の例を示すグラフである。このグラフから、本発明に係るＳＯＡがほぼ偏波無依存の増幅動作特性を実現していることが確認できる。

なお、これまでの説明においては、複合量子井戸層が２層及び３層の半導体層からなる構造について述べたが、本発明は複合量子井戸層が更に多数の半導体層からなる構成としても良い。

また、複合量子井戸層が３層より多数の半導体層よりなる構造において、例えば図１３に示すように、伸張歪を有する量子準位制御層４４３ａと圧縮歪を有する量子準位制御層４４３ｂとを交互に配置することにより、本発明における複合量子井戸層４４１を例えば非特許文献４に示されているような歪補償構造とすることができる。

このような構造とすることにより、複合量子井戸層の結晶欠陥の発生を抑制し、ＳＯＡの動作信頼性を更に向上できる。なお、複合量子井戸層４４１において、図１３に示した伸張歪を有する量子準位制御層４４３ａと圧縮歪を有する量子準位制御層４４３ｂの配置を入れ替えた構成としても良い。

一方、複合量子井戸層が２層及び３層の半導体層からなる構造において、量子準位制御層が伸張歪を有する構造では障壁層１４２に圧縮歪を印加することにより、この複合量子井戸層を歪補償構造とすることができる。なお、障壁層１４２に圧縮歪を印加する構造は、複合量子井戸層が３層より多数の半導体層よりなる構造に適用しても良い。

１〜５ 半導体光増幅器（ＳＯＡ）
１１ ｎ型半導体基板（基板）
１４，２４ 活性層
１４１，２４１，３４１，４４１ 複合量子井戸層
１４２ 障壁層
１４３，４４３ａ，４４３ｂ 量子準位制御層
１４４ 主量子井戸層

Claims (13)

1. 障壁層（１４２）と複数の半導体層からなる複合量子井戸層（１４１，２４１，３４１，４４１）とを有し、当該障壁層と当該複合量子井戸層とが交互に積層されてなる量子井戸の活性層（１４，２４）が基板（１１）上に形成された半導体光増幅器（１〜５）において、
   前記複合量子井戸層の前記複数の半導体層は、当該複合量子井戸層内の量子準位を制御する少なくとも１層の量子準位制御層（１４３，４４３ａ，４４３ｂ）と、当該量子準位制御層よりもバンドギャップの小さい少なくとも１層の主量子井戸層（１４４）とからなり、
   電子の基底量子準位と前記障壁層の伝導帯端とのエネルギー差は電子のオーバーフローを抑制するように十分に大きく設定され、
   前記主量子井戸層が前記基板に対して伸張歪を有し、
   前記量子準位制御層は、
   前記複合量子井戸層内の軽いホールの基底量子準位を重いホールの基底量子準位に近づけるように制御し、
   前記重いホールの基底量子準位と前記軽いホールの基底量子準位がともに前記主量子井戸層の重いホール帯端と前記量子準位制御層の重いホール帯端との間に位置し、
   かつ電子−重いホール間の再結合効率よりも電子−軽いホール間の再結合効率が高いことを特徴とする半導体光増幅器。
2. 障壁層（１４２）と複数の半導体層からなる複合量子井戸層（１４１，２４１，３４１，４４１）とを有し、当該障壁層と当該複合量子井戸層とが交互に積層されてなる量子井戸の活性層（１４，２４）が基板（１１）上に形成された半導体光増幅器（１〜５）において、
   前記複合量子井戸層の前記複数の半導体層は、当該複合量子井戸層内の量子準位を制御する少なくとも１層の量子準位制御層（１４３，４４３ａ，４４３ｂ）と、当該量子準位制御層よりもバンドギャップの小さい少なくとも１層の主量子井戸層（１４４）とからなり、
   電子の基底量子準位と前記障壁層の伝導帯端とのエネルギー差は電子のオーバーフローを抑制するように十分に大きく設定され、
   前記主量子井戸層が前記基板に対して伸張歪を有し、
   前記量子準位制御層は、
   前記複合量子井戸層内の軽いホールの基底量子準位を重いホールの基底量子準位に近づけるように制御し、
   かつ電子−重いホール間の再結合効率よりも電子−軽いホール間の再結合効率が高く、
   前記量子準位制御層が前記基板に対して圧縮歪を有することを特徴とする半導体光増幅器。
3. 障壁層（１４２）と複数の半導体層からなる複合量子井戸層（１４１，２４１，３４１，４４１）とを有し、当該障壁層と当該複合量子井戸層とが交互に積層されてなる量子井戸の活性層（１４，２４）が基板（１１）上に形成された半導体光増幅器（１〜５）において、
   前記複合量子井戸層の前記複数の半導体層は、当該複合量子井戸層内の量子準位を制御する少なくとも１層の量子準位制御層（１４３，４４３ａ，４４３ｂ）と、当該量子準位制御層よりもバンドギャップの小さい少なくとも１層の主量子井戸層（１４４）とからなり、
   電子の基底量子準位と前記障壁層の伝導帯端とのエネルギー差は電子のオーバーフローを抑制するように十分に大きく設定され、当該量子準位制御層及び当該主量子井戸層のうち、少なくとも１層が前記基板に対して伸張歪を有し、
   前記量子準位制御層は、
   前記複合量子井戸層内の軽いホールの基底量子準位を重いホールの基底量子準位に近づけるように制御し、
   かつ電子−重いホール間の再結合効率よりも電子−軽いホール間の再結合効率が高く、
   前記複合量子井戸層の前記複数の半導体層が１層の前記主量子井戸層及び１層の前記量子準位制御層からなることを特徴とする半導体光増幅器。
4. 障壁層（１４２）と複数の半導体層からなる複合量子井戸層（１４１，２４１，３４１，４４１）とを有し、当該障壁層と当該複合量子井戸層とが交互に積層されてなる量子井戸の活性層（１４，２４）が基板（１１）上に形成された半導体光増幅器（１〜５）において、
   前記複合量子井戸層の前記複数の半導体層は、当該複合量子井戸層内の量子準位を制御する少なくとも１層の量子準位制御層（１４３，４４３ａ，４４３ｂ）と、当該量子準位制御層よりもバンドギャップの小さい少なくとも１層の主量子井戸層（１４４）とからなり、
   電子の基底量子準位と前記障壁層の伝導帯端とのエネルギー差は電子のオーバーフローを抑制するように十分に大きく設定され、当該量子準位制御層のうち、少なくとも１層が前記基板に対して伸張歪を有し、
   前記量子準位制御層は、
   前記複合量子井戸層内の軽いホールの基底量子準位を重いホールの基底量子準位に近づけるように制御し、
   かつ電子−重いホール間の再結合効率よりも電子−軽いホール間の再結合効率が高く、
   前記主量子井戸層が前記基板に対して圧縮歪を有することを特徴とする半導体光増幅器。
5. 障壁層（１４２）と複数の半導体層からなる複合量子井戸層（１４１，２４１，３４１，４４１）とを有し、当該障壁層と当該複合量子井戸層とが交互に積層されてなる量子井戸の活性層（１４，２４）が基板（１１）上に形成された半導体光増幅器（１〜５）において、
   前記複合量子井戸層の前記複数の半導体層は、当該複合量子井戸層内の量子準位を制御する少なくとも１層の量子準位制御層（１４３，４４３ａ，４４３ｂ）と、当該量子準位制御層よりもバンドギャップの小さい少なくとも１層の主量子井戸層（１４４）とからなり、
   電子の基底量子準位と前記障壁層の伝導帯端とのエネルギー差は電子のオーバーフローを抑制するように十分に大きく設定され、当該量子準位制御層のうち、少なくとも１層が前記基板に対して伸張歪を有し、
   前記量子準位制御層は、
   前記複合量子井戸層内の軽いホールの基底量子準位を重いホールの基底量子準位に近づけるように制御し、
   かつ電子−重いホール間の再結合効率よりも電子−軽いホール間の再結合効率が高く、
   前記主量子井戸層が前記基板に対して無歪であることを特徴とする半導体光増幅器。
6. 前記量子準位制御層は、さらに、前記電子の基底量子準位を前記主量子井戸層の伝導帯端側から前記量子準位制御層の伝導帯端に近づけるように、あるいは一致させるように制御していることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体光増幅器。
7. 前記量子準位制御層は、さらに、前記電子の基底量子準位を前記量子準位制御層の伝導帯端側から前記主量子井戸層の伝導帯端に近づけるように、あるいは一致させるように制御していることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体光増幅器。
8. 前記複合量子井戸層の前記複数の半導体層は、複数の前記量子準位制御層と、少なくとも１層以上の前記主量子井戸層とからなり、少なくとも２層以上の当該量子準位制御層が、少なくとも１層以上の当該主量子井戸層を両側から挟むように積層されたことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項４もしくは請求項５のいずれか一項に記載の半導体光増幅器。
9. 前記複合量子井戸層の前記複数の半導体層は、複数の前記量子準位制御層と、少なくとも１層以上の前記主量子井戸層とからなり、前記障壁層と複数の当該量子準位制御層の間に、少なくとも１層以上の当該主量子井戸層を配置するように積層されたことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項４もしくは請求項５のいずれか一項に記載の半導体光増幅器。
10. ほぼ偏波無依存の増幅動作を実現することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体光増幅器。
11. 前記複合量子井戸層がＩＩＩ−Ｖ族混晶であるＩｎＧａＡｓＰからなることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の半導体光増幅器。
12. 前記複合量子井戸層がＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＡｓまたはＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰからなることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の半導体光増幅器。
13. 前記複合量子井戸層がＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰからなることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の半導体光増幅器。

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