JPH0460522A - 半導体光増幅器 - Google Patents

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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、光通信や光情報処理等に用いる光増幅器に係
わり、特に半導体素子で形成した半導体光増幅器に関す
る。

（従来の技術） 近年、脳の神経回路をモデルとしたニューロ・コンピュ
ータが研究されている。また、電気のオン・オフの代わ
りに光のオン・オフを情報として用い、情報の大量、高
速処理を実現する光ニューロ・コンピュータの研究も進
められている。

光ニューロ・コンピュータの基本構成要素を、第６図に
示す。面発光レーザ等の光源１とＰＩＮフォトダイオー
ド等の受光素子２との間に、スイッチング素子、偏向素
子及びしきい鎖素子等の光制御素子群３が挿入されてい
る。そして、光制御素子群３により、光源１から受光素
子２へ向かう光の制御が行われる。ここで、個々の光制
御素子では僅かであるが損失が避けられない。光制御素
子が数個の場合は特に問題はないが、将来的には光制御
素子も多数集積される必要が出てくる。そのときには、
損失も無視できないものとなるので、受光素子の直前又
は光制御素子同士の間に、光を増幅する素子が必要とな
る。

このような光増幅素子として、通常のレーザの両端面の
反射率を低くして発振を抑えたものが開発されつつある
。しかし、レーザは元来数十ＩＩＡのバイアス電流を必
要とし、これを元とした光増幅素子もそれ以上のバイア
ス電流を必要とする。第６図でも分かる通り、光ニュー
ロ・コンピュータは多数の発光、受光及び光制御素子が
集積される。全体の消費電力を抑え、発熱による不安定
動作を抑制するためには、個々の素子は微小な電力で動
作する必要がある。受光素子はもともと消費電力は小さ
く、光制御素子は今だ開発途上であるが、消費電力の大
きいレーザや光増幅素子の存在は、光ニューロ・コンピ
ュータの実現の大きな障害の一つとなっている。

（発明が解決しようとする課題） このように従来、半導体レーザを元とした半導体光増幅
器では、消費電力が大きく大規模な集積化は困難である
。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、消費電力を十分に小さくすることがで
き、大規模な集積化も可能とする半導体光増幅器を提供
することにある。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、共振器長間隔を広くして発振を抑えた
半導体レーザを、光増幅素子として用いることにある。

即ち本発明は、特定の波長λｗｉｎ〜λｗａｘ間に誘導
放出ゲインを有し、光入力面から入射した光を増幅して
光出力面から出射する半導体光増幅器において、光入力
面と光出力面との間に形成される共振器の共振波長が、
波長λｓｉｎ〜λｌａＸの中に存在しないように、入出
力面間の光学長を設定するようにしたものである。

（作用） まず、半導体レーザの共振器波長と発光スペクトルとの
関係について説明する。通常のレーザは、第７図（ａ）
に示すように波長λ１ｎ〜λＷａＸ間に曲線４で表わさ
れるゲインカーブを有し、且つ光入出力面で形成される
ファブリベロー共振器の共振波長λＲ０を持っている。

通常のレーザでは、このゲインカーブと共振波長λＲｎ
とか掛は合わされた発光波長特性を示す。

レーザの光入出力面間の距離を小さくして共振器長を短
くしていくと、共振波長間隔Δλ８−λＲ０−λＲｅ−
１が次第に広くなっていく。このとき、半導体レーザ内
の活性領域も小さくなるので、結果的にしきい値及び動
作電流も小さくなっていく。

更に共振器波長を短くし、且つ素子パラメータを適宜選
ぶと、第７図（ｂ）に示すように、共振波長λ、がゲイ
ンカーブ４の中央に１本だけ立つようにすることができ
る。このとき、スボンテニアス・エミッションが共振モ
ードに強く結合するので、このレーザは微小な電流でも
その共振波長λ、で発振を始める（マイクロキャビィテ
ィ・レーザ）。

これに対し、本発明のように共振波長λ２がゲイン波長
の外にあれば、その素子は発振を起こさない。即ち、共
振波長を持つ光増幅器より高励起状態で大きなゲインを
実現できる。従って、共振波長λ、がゲイン波長の外に
ある素子を用いた場合、ゲイン波長領域の波長の光を入
射すれば、入射した光はゲイン分たけ増幅されて出力さ
れることになる。このとき、前述のマイクロキャビティ
・レーザ程ではないものの、活性領域が十分少さいので
、高励起状態で使用しても、消費電力は極めて小さいも
のとなる。

また、この素子の活性層を量子井戸、量子細線又は量子
箱とすれば、ゲインスペクトルが鋭くなるため、共振波
長λＲをゲイン波長の外に持ってくるために効果的であ
り、且つ消費電力もより小さくなる。さらに、光の入出
力端面に反射率を低下させる処理を施せば、素子の外部
反射点との共振による発振を抑えると同時に、入出力光
の反射による光の損失や雑音を低下させることが可能と
なる。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わる半導体光増幅器の概
略構成を示す断面図である。図中１１はｎ型１ｎＰ基板
であり、この基板１１上にはｎ型のＩ　ｎＧａＡｓ　Ｐ
エツチングストップ層１２．ｎ型のＩｎＰ電流ブロック
層１３１　ｎｏ５ｓＧａｏ４７Ａｓ／　Ｉ　ｎＧａＡｓ
　Ｐ量子井戸層１４及びＩｎＰウィンド層１５が積層形
成されている。ウィンド層１５．量子井戸層１４及びエ
ツチングストップ層１３の一部には、不純物拡散による
ｐ型領域２２が形成されている。

また、基板１１には光の導入又は光出力のための窓１８
が開けられており、光の導入、出力部にはＳｉＮ等の反
射防止膜１９が形成されている。そして、ｐ型領域２２
上にはｐ側電極２０が形成され、基板１１側にはｎ側電
極２１が形成されている。

この素子を製造するには、まず基板１１上にそれぞれエ
ツチングストップ層１２．電流ブロック層１３．量子井
戸層１４及びウィンド層１５をそれぞれエピタキシャル
成長する。次いで、活性領域１６を残した周囲にＺｎ等
のｐ型ドーパントを拡散して、ｐ型領域２２を形成する
。

これにより、活性領域１６以外の量子井戸を壊すと同時
に、ｐｎ接合１７を形成する。その後、活性領域１６へ
の光の導入、又は光出力のための窓１８を開け、ＳｉＮ
等の反射防止膜１９゜ｐ側電極２０．さらにｎ側電極２
１を被着して、第１図の構造を得る。なお、窓１８の直
径は例えば１０μｍである。

ここで、共振器となり得るＩｎＧａＡｓＰエツチングス
ト７１層１２の下面からＩｎＰウィンド層１５の上面ま
での距離をＬｌこの間の実効屈折率をｎ＊ｆ＋、自然数
をｍとすると、共振波長λＲは２　ｎ　＊ｆｌ　Ｌ　／
　ｍで表わされる。本実施例素子が期待される光増幅器
として機能するためには、誘導放出ゲインを有する波長
λｇｊｎ〜λＷａＸの外に共振波長λ３が存在すること
、即ち波長λｓｉｎ〜λＩａＸの中に共振波長λＲが存
在しないことが必要である。従って、次の条件を満たさ
なければならない。

λｗｉｎ＞２ｎｅｆｒ　Ｌ／（ｍ＋１）　　　−・・■
λｍａｘ　　＜　２　ｎｅｆｆ　　Ｌｌｍ　　　　　　
　　　−・・■即ち、 ここで、ｎ　ｅｆｆ’−３Ｊ　、　　λ＋ｇｉｎ−１，
４９μｍ　、　　λｍａｘ−１，６１μｍとすると、ｍ
−４のとき、　０．９７６μｍ＜　Ｌ　＜　　１．１２
９μｍとなる。よって、膜厚や拡散の制御性等を考慮し
て、それぞれの層の厚さは、ＩｎＧａＡｓＰエツチング
スト７１層１２は０．１μｍ、　Ｉ　ｎ　Ｐ電流ブロッ
ク層１３は０．８μｍ。

量子井戸層１４においてはＩ　ｎＧａＡｓが８０人、Ｉ
ｎＧａＡｓＰが５０人の４層構造、ＩｎＰウィンド層１
５は０．１μｍといった構成が可能である。なお、ｍ〉
１３では０式は解を持たないので、上記の例ではＬ　＞
　２．９３５μｍにはできない。

ＩｎＧａＡｓＰエツチングスト７１層１２を用いるのは
、窓１８を開けるときのエツチングがこの層１２の表面
で止まり、Ｌを正確に制御できるようにするためである
。エツチングストップ層１２としてＩｎＰとＩ　ｎＧａ
Ａｓ　Ｐの薄膜を積層しておき、選択エツチングにより
Ｌの微調整を行うことも可能である。エツチングストッ
プ層の光吸収を避けるために、窓１８部のエツチングス
トップ層も除去してしまってもよい。ｐ型ドーパントを
拡散することにより、量子井戸層１４とＩｎＰ電流ブロ
ック層１３内にｐｎ接合１７が形成されるか、このｐｎ
接合１７のバンドギャップは、量子井戸層１４内よりも
ＩｎＰ電流ブロック層１３の方が大きい。

このため、ｐｎ接合１７を通過するキャリアの大部分は
活性領域１６へ供給される。反射防止膜１９は、入射光
の反射による光の損失、戻り光によるレーザの雑音の増
加、外部から反射してきた光の入射による素子の発振等
を抑える働きをする。

活性領域１６にキャリアを供給する方法としては、例え
ば第２図に示すように、半絶縁性基板１０１上に第１図
と同様の層構造を形成した後、活性領域１６の周辺領域
を一部エッチング除去して半絶縁性１　ｎＰ２Ｂで埋め
込んだ後、部分的にｐ型、ｎ型のドーパントを拡散して
、ｐ型頭域２２．ｎ型領域２４を形成すればよい。

さらに、第３図に示すように、活性領域１６の上部をｐ
型としてしまう方法も採用することができる。

また、光ニューロコンピュータを念頭においたとき、光
増幅素子は個別に切り出して使うのではなく、ウェハ内
に多数並んだまま使うのが通常である。本実施例素子を
このように配置した様子を第４図に示す。第４図（ａ）
のように、活性領域１６以外の領域全てにｐ型ドーパン
トを拡散させて、全ての素子を同時にオン状態で用いる
のが最も簡便であるが、同図（ｂ）（ｃ）のようにして
個別の素子をそれぞれオン・オフさせることも可能であ
る。また、第２図のような構成の素子を用いれば、ｐ型
、ｎ型の領域に繋がるリードをマトリックス状に制御で
きて便利である。これらの場合、素子がオフ状態のとき
は光を吸収するので、スイッチング素子としても機能さ
せることができる。このような使い方を考えた場合、利
得は必ずしも大きい必要はな（，１程度でよい。

二のように本実施例によれば、マイクロキャビティ・レ
ーザと類似の構造を用いて半導体光増幅器を構成し、且
つ共振波長λＲが誘導放出ゲイン波長λｗｉｎ〜λＩＩ
ａｘの外にくるように、共振器の光学長を設定している
。このため、発振を起こすことなく、入射したゲイン波
長領域の光をゲイン分だけ増幅して出力することができ
る。従って、消費電力を十分に小さくすることができ、
大規模な集積化も可能となり、光ニューロ・コンピュー
タの要素素子として極めて有望である。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。実施例では、ゲインスペクトルを狭くするために活
性層を量子井戸構造としたが、歪量子井戸、量子細線、
又は量子箱のいずれかとすれば、ゲインスペクトルがさ
らに鋭くなり且つ消費電力も小さくなる。また、活性層
やその近傍へのアクセプタ・ドーピングもゲインスペク
トルを鋭くするのに有効である。さらに、冷却液中に浸
す等して低温動作させるのも、ゲインスペクトルを鋭く
するのに有効である。

ゲインスペクトルが鋭い程、λｇｉｎ〜λＷａＸの間隔
が狭くなり、■式を満たすＬの範囲を広げることかでき
る。また、低注入電流で大きなゲインが得られる。

また、実施例では波長Ｉ、５５μｍの光を用いることを
念頭においた光増幅器について述べたが、他の波長の光
、又は他の組成の半導体層を用いた光増幅器についても
、この発明を適用することができる。さらに、これまで
に述べてきた平面型の構造ばかりでなく、第５図に示す
ように、進行波型の構造の素子にも適用することが可能
である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種
々変形して実施することができる。

［発明の効果コ 以上詳述したように本発明によれば、誘導放出ゲインを
有する波長λ■ｆｎ〜λＷａＸの中に共振器の共振波長
λ８が存在しないように、人出力面間の光学長を設定し
ているので、マイクロキャビティ・レーザと類似の構造
の素子を、発振させることなく光増幅素子として用いる
ことかでき、消費電力を十分に小さくすることができ、
大規模な集積化も容易とする半導体光増幅器を実現する
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる半導体光増幅器の概
略構成を示す断面図、第２図は上記実施例におけるキャ
リア供給例を説明するための一部切欠した斜視図、第３
図はキャリア供給例の他の例を説明するための断面図、
第４図はウェハ上に多数の素子を形成した例を示す一部
切欠した斜視図、第５図は本発明の変形例を示す斜視図
、第６図は従来の光ニューロコンピュータの基本構成要
素の例を示す斜視図、第７図はレーザの波長特性を示す
特性図である。 １１　・−ｎ　−１ｎ　Ｐ基板、 １２−−−　ｎ　−Ｉ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｐエツチ
ングストップ層、 １３・・・ｎ−ＩｎＰ電流プロ １４・・・量子井戸層、 １５・・・ＩｎＰウィンド層、 １６・・・活性領域、 １７・・・ｐｎ接合・ １８・・・窓、 １９・・・反射防止膜、 ２０２１・・・電極、 ２２・・・ｐ型頭域、 ２３・・・半絶縁ＩｎＰ層、 ２４・・・ｎ型領域、 ツク層、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 特定の波長λｍｉｎ〜λｍａｘ間に誘導放出ゲインを有
   し、光入力面から入射した光を増幅して光出力面から出
   射する半導体光増幅器において、前記光入力面と光出力
   面との間に形成される共振器の共振波長が、前記波長λ
   ｍｉｎ〜λｍａｘの中に存在しないように、入出力面間
   の光学長を設定してなることを特徴とする半導体光増幅
   器。