JPH01251685A

JPH01251685A - 光増幅器

Info

Publication number: JPH01251685A
Application number: JP7947488A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Nishi; 研一西; Masahiko Fujiwara; 雅彦藤原
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1988-03-30
Filing date: 1988-03-30
Publication date: 1989-10-06
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: JPH0831656B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は光通信、光交換等の分野で使用する半導体レー
ザ（ＬＤ）型光増幅器に関するものである。

（従来の技術）光増幅器は光通信の長距離、大容量化、光交換システム
の大規模化等の目的のために不可欠なデバイスである。

光増幅器としては、光フアイバ内の非線形散乱を利用し
たものも可能であるが、小型、高効率、他の半導体デバ
イスと集積化可能等の利点から半導体レーザ（ＬＤ）型
が優れている。ＬＤ型光増幅器では内部利得として２０
〜３０ｄＢ、入出力端に光ファイバを接続した状態での
光ファイバ間利得でも２０ｄＢ程度の値が得られている
。また近年端面への無反射（ＡＲ）コート技術の進歩に
より、飽和光出力、利得波長帯域も大幅に拡大され、実
用に近いデバイスとなってきている。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら従来のＬＤ光増幅器ではその特性か入射光
の偏光状態に大きく依存するという問題点があった。通
常の使用状態では、長距離単一モ−ドファイバでは入射
光の偏光状態は保存されず、外部の温度、圧力等により
伝搬光の偏光状態は大きく変化する。従ってＬＤ光増幅
器をＳＭＦの途中に挿入する場合には何らかの偏光制御
手段を併用しないと出力光強度が大きく変動する。

ＬＤ光増幅器の特性が入射偏光依存性を持つ原因として
は、次の３つが考えられる。

（１）利得自体の偏光依存性 ■活性層への閉じ込め係数の偏光による違い（３）端面
反射率の偏光依存性通常の二重へテロ（ＤＨ）構造のＬＤ光増幅器では、利
得自体には偏光依存性は生じない。また活性層の導波構
造の等方化、端面反射率の低減により原理的には■、（
３）も解決可能ではある。しかし、第１回オプト・エレ
クトロニクス・コンファレンス（Ｆｉｒｓｔ　０ｐｔｏ
ｅｌｅｃｔｒｏｎｌｃｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）ポス
ト・デソトライン・ペーパズ・テクニカル・ダイジェス
ト（Ｐｏｓｔ−Ｄｅａｄｌｉｎｅ　Ｐａｐｅｒｓ　Ｔｅ
ｃｈｎｉｃａｌＤｉｇｅｓｔ）　Ｂ１１−２．１２−１
３頁（１９１１１６年７月　東京）に掲載された斉藤他
による論文によれば、導波路構造を等方化した埋込みへ
テロ（ＢＨ）構造のＬＤの両端面に、反射率Ｒ：　０．
０４％という極めて良質なＡ’Ｒコートを施した進行波
型ＬＤ光増幅器に於てもＴＥ、ＴＭ両偏光の間で最大１
０ｄＢ以上の利得差が観測されている。つまり導波路構
造の等方化、端面反射率の低減だけではＬＤ光増幅器の
特性の偏光依存性を低減することは難しかった。

この問題を解決するための一つの方法は、偏光制御器を
組合せて用いることである。しかし半導体材料では小型
、低電圧（ａ、）の偏光制御器を実現することは難しい
ためモノリシンク集積化は難しく、また複雑な最適制御
系を用いなければならないという問題があった。

本発明の目的はこのような問題点を除き、半導体材料で
モノリシックに構成でき、複雑な制御系が要らず、なお
かつ特性の入射偏光依存性の低減された光増幅器を提供
することにある。

（問題点を解決するための手段）本発明にχる光増幅器は、半導体材料による活性層と、
入出力光信号を結合するための人出射端面とを有する半
導体レーザ型の光増幅器において、前記活性層が、膜厚
が電子の平均自由行程程度以下である第１の半導体と、
該膜厚を有し、禁制帯幅が第１の半導体より広い第２の
半導体とより構成される量子井戸構造よりなり、該第１
の半導体は格子不整合による面内引っ張り性の応力を受
け、伝導帯の基底次のサブバンドと軽い正孔帯の基底次
のサブバンド間のエネルギー値が、伝導帯の基底次のサ
ブバンドと重い正孔帯の基底次のサブバンド間のエネル
ギー値より小さい事に特徴かある。

（作用）本発明によるＬＤ型光増幅器は、電流注入時の利得を、
ＴＭモードに対するものの方がＴＥモードに対するもの
より太きくシ、前述の入射偏光依存性を非常に低減した
ものである。

前述の通り、ＬＤ光増幅器では、ＴＥモードとＴＭモー
トに対する利得を調整しない限り、入射偏光依存性を低
減する事は困難である。一般に、通常のＤＨレーザでは
利得の偏光依存性はない。

また、半導体量子井戸を活性層とする１子井戸（ＱＷ）
レーザでは、重い正孔サブバンドと軽い正孔サブバンド
が分離し、同一キャリヤ注入時の利得は電子−重い正孔
の各サブバンド間遷移が主となるため、ＴＥモードに対
する利得の方がＴＭモードに対する利得より大きくなる
事が知られている（山西他、ジャパニーズ・ジャーナル
・オブ・アプライド・フィジックス２３巻Ｌ　３５ペー
ジ、（Ｍ、ＹａＩＩｌａｎｌｓｈｌ　ｅｔａｌ、、Ｊａ
ｎ、Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、２３．Ｌ３５））。

本発明においては、２軸性の引っ張り応力を受ける半導
体の価電子帯は分裂し、軽い正孔帯が正孔帯のエネルギ
ー的に上に来る事を利用し、ＴＭモードに対する利得が
ＴＥモードに対する利得よりバンド端において約４倍大
きい電子−軽い正孔間の遷移を主に用いる事により、利
得自体の偏光依存性を生じさせてＬＤ光増幅器の入射偏
光依存性を低減させるものである。第３図（ａ）に、本
発明における光増幅器の利得のエネルギー依存性を、第
３図（ｂ）に通常の量子井戸構造による光増幅器の利得
のエネルギー依存性をそれぞれＴＥモード、ＴＭモード
に対して示す。特に歪の影響による転位の発生を防ぐた
め、量子井戸構造を用いて歪を受ける半導体層の膜厚を
小さくしである。この様な場合、軽い正孔、及び重い正
孔の各基底次のサブバンドエネルギーは、歪によって分
裂したバルクでの各バンド端の接続によって形成される
ポテンシャル井戸中のレベルとして計算される。従って
、歪の大きさが適当となる様に２軸性応力の値を選べば
、つまり、量子井戸層の格子不整合の度合いを選べば、
電子−軽い正孔の各サブバンド間遷移エネルギーを電子
−重い正孔間の遷移エネルギーより小さ（シ、キャリヤ
注入時の遷移を電子−軽い正孔の各サブバンド間遷移を
主とし、第３図（ａ）に示す様にＴＭモードの利得を上
昇させることが可能である。ここで、量子サイズ効果に
よれば、重い正孔の基底次のサブバンドエネルギーは、
軽い正孔の基底次のサブバンドエネルギーより小さくな
り、上記の歪の効果による傾向とは逆となるが、これは
量子井戸層の膜厚を大きめにし、格子不整合の度合いを
大きくずれば、問題ではなくなる。

（実施例）゛以下、図面を用いて本発明による一実施例について説
明する。

第１図（ａ）は、本実施例により製造するＬＤ型光増幅
器の斜視図（ｂ）はＭＱＷ活性層の断面図、（Ｃ）はそ
の活性層のバンド図である。ここでは、量子サイズ効果
が最も顕著に現れるＧａＡｓ／（Ｉｎ　）Ａ　ｌＧａＡ
ｓ系材料を用いた場合について説明する、まず第１図（ａ）に示した光増幅器の構造をその製作方
法とともに説明する。ｎ−ＧａＡｓ基板１０１の上に、
バッファ層となるｎ−Ａｌ００４Ｇａ□、６Ａｓ／ｎ−
ＧａＡｓ多層量子井戸（ＭＱＷ）層１０２　、ｎ−１ｎ
）（（ＡＩｏ、４Ｇａｏ、ｅ）＋１−ＸＩＡＳ　（Ｘは
０−＋０．１　まで変化）クラッド層１０３、ＭＱＷ活
性層１０４　、ｐ−１ｎｏ、、ＡＩ。、４５Ｇａｏ、４
５Ａｓ中間層＋０５　、Ｉ）−１ｎｏ、ｌＡ１０．３６
Ｇａｏ、５４ＡＳクラッド層１０６、ｐ−１ｎｏ、＋Ａ
ｌｏ、ＩＧａｏ、ｓキ’ｒ　ツブ層１０７をＭＢＥ法に
より連続成長する。次にフォトリングラフィ法、化学エ
ツチングを用いて、ストライプ状にｎ−ＧａＡｓ基板＋
０１に達するエツチングを行う。次にＬＰＥ法により、
このストライプをｐ−Ａ　Ｉ。、３ａＧａｏ　、ｅ□Ａ
ｓ層１０８　、ｎ−Ａｌｏ、３ＢＧａ（＋、１３２ＡＳ
層１０９により埋め込む。

この際、中間層１０５の存在により、埋め込み層１０８
．１０９によるｐ−ｎ接合位置は活性層１０４の下に自
動的に決定される。この構造はＢＧＭ構造として知られ
ており、この成長法の詳細は電子通信学会昭和５９年総
合全国大会論文集ＩＯ！６番（＋９８４）に述べられて
いる。

ここで用いたＭＱＷ活性層１０４は、第１図（ｂ）に示
すようにＧａＡｓ債子井戸層＋１０とＩｎｏ−２Ｇａｏ
　、３２Ａ　Ｉ　０．４８ＡＳバリヤ層１１１を交互に
６周期積層したものよりなり、各層の膜厚は、各々１５
０Ａと５０Ａである。ｃａＡｓｆｆｉ子井戸層１１０は
、Ｉｎ。、、ＡＩＯ，３８Ｇａｏ、５４Ａｓクラッド層
＋０３との格子不整合により、約０．７％の大きさの引
っ張り性の歪を受け、そのため、第１図（Ｃ）に示すバ
ンド図の様に、軽い正孔帯は重い正孔帯の約５０ｍｅＶ
エネルギー的に上に来る。そしてその場合、軽い正孔に
よる基底次のサブバンド２０１　も、重い正孔による基
底次のサブバンド２０２よりエネルギー的に上に来て、
キャリヤ注入時の遷移としては、電子−軽い正′孔の各
サブバンド間のものが主となる。なお、ここではＭＱＷ
活性層＋０４は６周期の多重量子井戸層としたが、単一
量子井戸構造であってもよい。

次に、ｐ側に電流狭窄のための５ｉｎ２ストライプ＋１
２を形成した上で、ｎ側、ｐ側にそれぞれ電極１１３　
、＋１４を形成する。へき開により形成した入出力端面
１１５ａ、　ｌ１５ｂには、それぞれプラズマＣ■Ｄに
よりＳＩＮ、ＡＲコート（第１図では図示していない）
膜を形成し、進行波型ＬＤ光増幅器とした。

第２図は、本実施例の動作を説明するための図であり、
第１図に示した実施例の光軸に沿い、かつ基板に垂直な
面での断面図を示している。第２図にはＡＲコート膜１
１Ｇａ、　１ＩＧｂを示した。この試作サンプルでは、
ＡＲコート後の発振しきい値は、１００ｍＡであった。

活性層１０４に入射光を結合するためおよび光信号を取
り出すため先球ファイバ１１７ａ、　＋１７ｂを用いて
いる。電極１１３．１１４間に順バイアスを印加すると
、活性層中の利得が上昇し増幅機能が得られる。

本実施例において、ＴＥモードとＴＭモードの利得につ
いて、デバイスの長さを変化させて測定を行なった。そ
の結果、デバイス長が約５００μｍのもので、２つのモ
ード間の利得差が１ｄＢ以下となり、利得の入射偏光依
存性は非常に低減された。しかも量子井戸構造をとって
いるため注入電流に対するキャリア密度の効率が高く、
低電流で動作可能となる。

本実施例ではＧａＡｓ／　（Ｉｎ　）Ａ　ｌＧａＡｓ系
材料を用いて説明したが、量子サイズ効果が得られる材
料系であれば本発明が適用可能なのは明らかである。デ
バイス構造も実施例で示したＢＧＭ構造だけでなく、通
常のＬＤで用いられている横モード制御構造を採用する
ことも全く問題ない。

（発明の効果）本発明によれば、利得の入射光偏光性の非常に小さい光
増幅器が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の〜実施例による光増幅器の斜視
図（ｂ）はＭＱＷ活性層１０４の断面図（Ｃ）は活性層
のバンド図であり、第２図は本実施例の動作を説明する
ための図であり、第３図（ａ）は本発明による、（ｂ）
は従来の量子井戸構造による光増幅器の、利得のエネル
ギーに依存性を示すグラフである。図に於いて、＋０１・・・・・・・・・・・・基板１０２・・・・・・・・・・・・多重量子井戸（ＭＱＷ
）層１０３．１ＯＥｉ・・・・・・クラッド層＋０４・
・・・・・・・・・・・ＭＱＷ活性層１０５・・・・・
・・・・・・・中間層１０７・・・・・・・・・・・・
キャップ層１０８．１０９・・・・・・埋め込み履！１
０・・・・・・・・・・・・ＧａＡｓ量子井戸子弁ＩＩ
−−−−−−−−＝−１ｎｏ、２Ｇａｏ、３゜ＡＩ。、
４８Ａｓバリヤ層＋　１２　・”　＝　・・・＝　Ｓ　
Ｉ　０２ストライプ１１３．１１４・・・・・・電極１１５ａ、ｌ１５ｂ・・・入出力端面１１６ａ、１１Ｇｂ　・・・Ａ　Ｒコート膜１１７ａ、
１１７ｂ・・・先球ファイバ２０１・・・・・・・・・
・・・軽い正孔による基底次のサブバンド２０２・・・
・・・・・・・・・重い正孔による基底次のサブバンド
である。

Claims

【特許請求の範囲】

半導体材料による活性層と、入出力光信号を結合するた
めの入出射端面とを有する半導体レーザ型の光増幅器に
おいて、前記活性層が、膜厚が電子の平均自由行程程度
以下である第１の半導体と、該膜厚を有し、禁制帯幅が
第１の半導体より広い第２の半導体とより構成される量
子井戸構造よりなり、該第１の半導体は格子不整合によ
る面内引っ張り性の応力を受け、伝導帯の基底次のサブ
バンドと軽い正孔帯の基底次のサブバンド間のエネルギ
ー値が、伝導帯の基底次のサブバンドと重い正孔帯の基
底次のサブバンド間のエネルギー値より小さい事を特徴
とする光増幅器。