JPH01257386A

JPH01257386A - 光増幅器

Info

Publication number: JPH01257386A
Application number: JP8642488A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Fujiwara; 雅彦藤原; Kenichi Nishi; 研一西
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1988-04-07
Filing date: 1988-04-07
Publication date: 1989-10-13
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: JPH0831657B2

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、他の半導体光デバ
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課題）しかしながら従来のＬＤ光増幅器ではその特性が入射光
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ー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（２）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（２）、（
３）は解決可能ではある。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
−ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）ポ
ストデッドライン・ペーパズ・テクニカルダイジェスト
（Ｐｏｓｔ−Ｄｅａｄｌｉｎｅ　ＰａｐｅｒｓＴｅｃｈ
ｎｉｃａｌ　Ｄｉｇｅｓｔ）Ｂ１１−２．１２−１３頁
（１９８６年７月東京）に掲載された斎藤他による論文
によれば、導波路構造を等方化した埋込みへテロ（ＢＨ
）構造ＬＤの両端面に、反射率Ｒ＝０．０４％という極
めて良質なＡＲコートを施した進行波型ＬＤ光増幅器に
於てもＴＥ、ＴＭ両両光光間で最大１０ｄＢ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（流）の偏光制御器を実現することは難しいため
モノリシック集積化は難しく、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。

（課題を解決するための手段）本発明は、量子井戸構造からなり該量子井戸構造の量子
井戸層が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、伝導帯の基底次のザブ
バンドと重い正孔帯の基底次のザブバンド間のエネルギ
ー値より小さい第１の活性層領域と、該第１の活性層領
域と実効的なバンドギャップが略等しく、応力を受けな
いバルク半導体もしくは量子井戸構造からなる第２の活
性層領域と、入出力光信号を結合するための、入出射端
面とを有することを特徴とする半導体レーザ型の光増幅
器である。

さらに、前記光増幅器において、前記第１の活性層領域
と前記第２の活性層領域が層厚方向に積層されてなるこ
とを特徴とする。

また、前記光増幅器の前記第１の活性層領域と前記第２
の活性層領域が光学的に縦続接続されていてもよい。

（作用）本発明によるＬＤ型光増幅器は活性層の内部に、ＴＥモ
ードをより強く増幅する領域とＴＭモードをより強く増
幅する領域を設け、全体として前述の入射偏光依存性を
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
ド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
とする量子井戸（ＱＷ）レーザでは、重い正孔サブバン
ドと軽いサブバンドが分離し、同一キャリア流入時の利
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・サブ・アヅライド・フィジックス２
３巻Ｌ３５　　ペ　−　ジ（Ｍ、　Ｙａｍａｎｉｓｈｉ
　ｅｔａｌ、、　Ｊｐｎ、　Ｊ、　Ａｐｐｌ。

ｐｈｙ跣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、軸の正孔帯が重の正孔帯のエネ
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４図（ａ）に
、応力をうけた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、第４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Ｔ
Ｅ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も小さくしである。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くし、キャ
リア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４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
いも大きくすれば、問題ではなくなる。

以上述べたような歪超格子構造を用い、歪の大きさを調
整することにより、ＴＥ、ＴＭ両モード間の利得差をな
くすことは、原理的には可能である。

しかし、実際には、ＴＥ、ＴＭ両モードの活性層中の閉
じ込め係数の偉いに対応して、歪の大きさを非常に精密
に設定する必要があり、製作が困難である。しかし、Ｔ
Ｍモードに対する利得をＴＥモードに比べ大きくするこ
とは、歪の量をある程度以上にとればよく、容易に実現
できる。

この様なポテンシャルプロファイルの設計は以下の様に
行なえばよい。まず、量子井戸となる半導体Ａのバンド
ギャップをＥ、ａ、格子定数をａ。ａ、？Ｊ４性定数を
０１□ａ、Ｃ１□ａ、変形ポテンシャルをａａ（静水圧
填）、ｂ”（せん断応力項）とし、量子井戸のまわりの
バリヤ層となる半導体Ｂでは、それぞれ、Ｅ９ｂ、ａｏ
ｂ、Ｃ１１ｂ、Ｃ１□ｂ、ａｂ、ｂｂとする。これらの
層が、格子定数ａ。Ｓを有する半導体厚膜上に積層する
場合を考える。

ここで、格子定数の間に、ａｏａ　＜　ａ。ｓ＜ａ。ｂ
の関数が必要である。さらに、歪の効果によるバンドギ
ャップの変化を考えるために、半導体Ａと半導体Ｂの間
の伝導帯不連続量をＥｃ、価電子帯不連続量をＥｖとし
、また、ａａ＝ａｅａ＋ａｖａ１ａｂ＝ａｃｂ＋ａｖｂ
（ａコ、ａｖｉはそれぞれ伝導帯、価電子帯に対する変
形ポテンシャルの静水圧填）とする。その場合、ポテン
シャル量子井戸構造が生じさせるため、二二で、の関係が必要である。ここで、（１）式は伝導帯で、（
２）式は軽い正孔帯でポテンシャル量子井戸構造ができ
るための条件である。

ここで、重い正孔帯に対する価電子帯不連続量は、であり、Ｅｖｈｈ’＜Ｅｖｌｈの関係が成り立つ。

Ｅｖｈｈ’≦０では、重い正孔による基底法のサブバン
ドは、存在しないか、バリヤ層中に生成するため、電子
−重い正孔間の発光再結合は小さく光の増幅に対しては
大きな影響を持たない。この場合、膜厚の設定は自由に
行なえる。

Ｅｖｈｈ’　＞　０では、膜厚の設計により、軽い正孔
による基底法のザブバンドが、重い正孔による基底法の
サブバンドのエネルギー的に上に来る様にする必要があ
る。ここで、軽い正孔、重い正孔の基底法の各サブバン
ドの各バンド端からのシフト量を、それぞれΔＥ８１．
ΔＥｈｈ＆すると、この２つの値の間に次の様な関係が
必要となる。

この条件が満たされれば、軽い正孔による基底法のサブ
バンドは重い正孔による基底法のサブバンドのエネルギ
ー的に上に来るため、求められる条件は満たされる。こ
こで、ΔＥ１ｈ、ΔＥ、ｈは、有効質量、各層の膜厚か
ら計算して求める必要がある。

以上の様な設計が可能となる材料系としては、ＧａＡｓ
−ＩｎｘＡ１（１−ｘ）ｙＧａ（１−ｘ）＜１−、）Ａ
８゜ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ−工ｎｙＡ１□−ｙＡｓ。

ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ−ＩｎＡｓ、Ｐｌ−、。

ＩｎｘＡＳｌ−ｘＳｂ　−Ｉｎ、ＡＳｌ−、Ｓｂ等の材
料系が存在する。

本発明はこのことを利用し、活性層の層厚方向若しくは
光軸方向に、Ｔ’Ｅモードを強く増幅するバルク半導体
若しくは歪のない超格子構造の利得媒質と、ＴＭモード
を増幅すべき歪超格子利得媒質とを導入し、全体として
ＬＤ型光増幅器の入射偏光依存性を低減した。

（実施例１）以下、図面を用いて本発明の一実施例について説明する
。第１図（ａ）は、本発明によるＬＤ型光増幅器の第１
の実施例の斜視図、（ｂ）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Ｇａ
Ａｓ／（Ｉｎ）ＡＩＧａＡｓ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−Ａｌｏ、４Ｇａｏ、ｓＡｓ／ｎ−
ＧａＡｓ多重量子井戸（ＭＱＷ）　　層１０２　　、ｎ
−Ｉｎｘ（Ａｌｏ、４Ｇａｏ、６）、−ｘ、Ａｓ（ｘ　
　は０→０．１まで変化）クラッド層１０３、ＭＱＷ活
性層１０４、ｐ−Ｉｎ０．ＩＡｌｏ、４５Ｇａｏ４５Ａ
Ｓ中間層１０５、ｐ−Ｉｎ０．ＩＡｌｇ、３ＢＧａｇ、
５４ＡＳクラッド層１０６、ｐ−Ｉｎ。、１Ａｌ。、１
Ｇａｏ８キャップ層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１０１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ｐＡｌｏ、５ＢＧａ、６□Ａｓ層１０８、ｎ−Ａｌ。

、３ＢＧａｏ、６２ＡＳ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１０８，１
０９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ＢＣＭ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１０１６番（１９８４）に述べられている
。

ここで用いたＭＱＷ活性層は、層厚方向に２つの領域１
０４ａ、１０４ｂからなる。第１図（Ｃ）はＭＱＷ活性
層領域を示す図である。第１図（ｃ）において第１の領
域１０４ａはＧａＡｓ領域井戸層１１０とＩｎｏ、２Ｇ
ａｏ、３２Ａｌｏ、４ＢＡＳバリヤ層１１１を交互に３
周期積層したものより、各層の膜厚は、各々１５０人と
５０人である。ＧａＡｓ量子井戸層１１０は、■ｎｏ、
１Ａｌｏ３６Ｇａｏ、５４Ａｓクラッド層１０３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（ｂ）に示すバンド図の様に、
軽い正孔帯は重い正孔帯の約５０ｍＶ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法のサブ
バンド２０１も重い正孔による基底法のサブバンド２０
２よりエネルギー的に上に来て、キャリア注入時の遷移
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。

一方、ＭＱＷ活性層の第２の領域１０４ｂはＩｎｏ、１
Ｇａｏ、、Ａｓ量子井戸層１２０とＩｎｏ、ｘＡｌｏ、
３ｓＧａｏ、５４Ａｓバリヤ層１２１を交互に３周期積
層したものよりなり、各層の膜厚は各々１００人、５０
人である。第２の領域１０４ｂを構成する各層はｐ−Ｉ
ｎ。、□ＡＩ、４５Ｇａｏ、４５Ａｓ中間層１０５と格
子整合がとれており歪を受けていない。

２つの領域１０４ａ、１０４ｂの実効的なバンドギャッ
プは略等しい。

従って活性層の第１の領域１０４ａでは７Ｍモードが、
第２の領域１０４ｂではＴＥモードがそれぞれ、より強
く増幅される。

なお、ここではＭＱＷ活性層は第１、第２の領域とも３
周期の多重量子井戸構造としたが、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８１０２ストライプ１１
２を形成した上で、ｎ側、ｐ側にそれぞれ電極１１３．
１１４を形成する。へき開により形成した入出力端面１
１５ａ、１１５ｂには、それぞれプラズマＣＶＤ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
１６ａ、１１６ｂを示した。この試作サンプルでは、Δ
Ｒ−）後の発展しきい値は＞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
す先球ファイバ１１７ａ、１１７ｂ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７Ｍ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。

（実施例２）第３図は本願の第２の発明の一実施例を示す断面図であ
る。ここでは光軸を含み、活性層に垂直な面での断面図
を示す。以下では簡単のため、ブレーナ構造を例にとり
説明する。

まず第３図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３０１の上に、バッフ
ァ層となるｎ−Ａｌｏ４Ｇａｏ６Ａｓ／ｎ−ＧａＡｓ多
重量子井戸（ＭＱＷ）層３０２、ｎ−Ｉｎｘ（ＡＩ。、
４Ｇａｏ、６）、−ｘ）Ａｓ（ｘはｏ−＋ｏ、ｉまで変
イいクラッド層３０３、ＭＱＷ活性層３０４ａ、ｐ−Ｉ
ｎ。、□ＡＩ。、４５Ｇａ、４５Ａｓ中間層３０５、ｐ
−Ｉｎｏ、ｌＡｌ０．３６Ｇａｏ、５４ＡＳクラッド層
３０６、ｐ−Ｉｎ。、、ＡＩｏＩＧａ。、８Ａｓキャッ
プ層３０７をＭＢＥ法により連続成長する。

次にフォトリソグラフィ法により、ｎ−Ｉｎｘ（ＡＩ。、４Ｇ、６入ｔ−ｘ）Ａｓクラッド
層３０３迄エツチングし、その上にＭＢＥ法によりｎ−
Ｉｎｘ（Ａｌｏ、４ＧＯ，ａ）（１−ｘ）Ａｓクラッド
層３０３、ＭＱＷ活性活性法益０４ｂＪ”ｏ、ｘＡｌｏ
、４ｓＧｏ、５ｓＡｓ中間層３０５、ｐ−Ｉｎ。、１Ａ
ｌ。、３６Ｇａｏ５４Ａｓクラッド層ｐ−Ｉｎ。、、Ａ
１０．ＩＧａｏ、８Ａｓキ−Ｙ７プ層３０７を選択埋込
み成長する。この時ＭＱＷ活性層３０４ａ、３０４ｂの
位置が層厚方向で一致するように、成長層厚を制御した
。

ここで用いたＭＱＷ活性層は３０４ａ、　ＧａＡｓ量子
井戸層１１０とＩｎ。、２Ｇａｏ３□Ａ１ｏ、１８Ａｓ
バリヤ層１１１を交互に３周期積層したものよりなり、
各層の膜厚は、各々１５０人と５０人である。ＧａＡｓ
量子井戸層１１０は、ＩｎＯ，ｌＡｌ０．３６ＧａＯ，
５４Ａｓクラッド層３０３との格子不整合により、約（
１７％の大きさの引っ張り性の歪を受ける。そのため第
１図（ｂ）に示すハンド図の様に、軽い正孔帯は重い正
孔帯の約５０ｍＶ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、キャリア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。

一方、ＭＱＷ活性層の３０４ｂはＩｎ。、１０ａｏ、、
Ａｓ量子井戸層とＩｎｏ、ｘＡｌｏ、３６Ｇａｏ、５４
Ａｓバリヤ層を交互に３周期積層したものよりなり、各
層の膜厚は各々１００人、５０人である。活性層３０４
ｂを構成する各層は格子整合がどれており、歪を受けて
いない。活性層３０４ａ、３０４ｂの実効的なバンドギ
ャップは略等しい。

従って活性層３０４ａでは７Ｍモードが、３０４ｂでは
ＴＥモードがそれぞれ、より強く増幅される。しかも、
活性層３０４ａ、３０４ｂでＴＭ、ＴＥモードも利得を
持つから、その部分で大きく減衰することはなく、全体
的に見ればＴＥ、Ｔ　Ｍモード共に増幅されることにな
る。実施例１と同様のＢＨ構造化しｐ側、ｎ側にそれぞ
れ電極３１３，３１４を形成し、へき開により形成した
入出力端面３１５ａ、３１５ｂにＡＲコート膜３１６ａ
、３１６ｂを形成し進行波型光増幅器とした。本実施例
で素子長５００ｐｍ（２つの領域の長さそれぞれ２５０
ｐｍ）のサンプルで内部利得２０ｄＢの時のＴＥ、ＴＭ
モート間の利得差は１ｄＢ以下であった。

本実施例ではＧａＡｓ／（Ｉｎ）ＡＩＧａＡｓ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ＢＣＭ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、利得の入射光偏光依存性の非常に小さ
い光増幅器が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例による光増幅器の斜視
図、同図（ｂ）はその活性層のバンド図、同図（ｃ）は
ＭＱＷ活性層を示す図であり、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図は本発明の第２の実
施例による光増幅器の断面図である。第４図（ａ）は歪
をうけた状態の、（ｂ）は従来の量子井戸構造による光
増幅器の、利得のエネルギー依存性を示すグラフである
。図に於て１０１．３０１・・・基板１０２．３０２・・・多重量子井戸（ＭＱＷ）層１０３
．１０６，３０３，３０６・・・クラッド層、１０４．
３０４ａ、３０４ｂ−・−ＭＱＷ活性層１０５．３０５
・・・中間層１０７．３０７・・・キャップ層１０８．１０９・・・埋め込み層１１０・・・ＧａＡｓ量子井戸層１１１・・・Ｉｎ。、２Ａ１ｏ、３□Ａ１ｏ、４８Ａｓ
バリヤ層１１２・・・５ｉ０２ストライブ１１３．１１４，３１３，３１４・・・電極１１５ａ、
１１５ｂ、３１３，３１４・・・入出力端面１１６ａ、
１１６ｂ、３１３，３１４・・・ＡＲ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】

（１）量子井戸構造からなり該量子井戸構造の量子井戸
層が格子不整合による面内引っ張り性の応力を受け、伝
導帯に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
値より小さい第１の活性層領域と、該第１の活性層領域
と実効的なバンドギャップが略等しく、応力を受けない
バルク半導体もしくは量子井戸構造からなる第２の領域
活性層領域と、入出力光信号を結合するための入出射端
面とを有することを特徴とする半導体レーザ型の光増幅
器。
（２）前記第１の活性層領域と前記第２の活性層領域が
層厚方向に積層されてなることを特徴とする請求項（１
）記載の光増幅器。
（３）前記第１の活性層領域と前記第２の活性層領域が
光学的に縦続接続されていることを特徴とする請求項（
１）記載の光増幅器。