JPH06283824A - 光増幅素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】光増幅素子の光増幅の偏光方向における依存性
を広い光波長の範囲で低減すること、およびキャリア注
入を変化させても、光増幅素子の利得の偏光方向におけ
る依存性の変化を低減することが目的である。 【構成】基板１と、活性領域２と、クラッド層３とを有
する光増幅素子において、活性領域２は、光閉じ込め層
２ａと、少なくとも一層が他層と厚さが相違し、かつ格
子不整合とされた複数の量子井戸層２ｂと、各量子井戸
層間に量子井戸層に接して形成された障壁層２ｃとで構
成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信、光計測分野に
おける光直接増幅素子に係り、特に広帯域の増幅波長ス
ペクトルを有し、かつ、増幅特性の偏波方向依存性が制
御された半導体光増幅素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光の進行方向に垂直な断面の形状
が矩形である活性導波路を有する半導体光増幅素子で
は、矩形導波路断面の長軸方向に電場が振動する光線を
ＴＥモード光、また、この導波路断面の短軸方向に電場
が振動する光線をＴＭモード光と呼ぶとすると、この二
つの互いに垂直な方向に振動する電場に対する光閉じ込
め係数がＴＭモード光よりもＴＥモード光に対してより
大きくなるため、光の偏光方向に依存した増幅特性を有
してしまう。

【０００３】〔第１の従来技術〕このような増幅特性を
制御するための手段として、第１に、導波路内を進む光
線の方向に対して垂直面内の導波路幅、層厚および屈折
率の分布を変化させて、光閉じ込めの偏光方向の依存性
を解消する構造が試みられてきた。

【０００４】〔第２の従来技術〕一方、近年活発に研究
開発が進められている技術として、活性領域の量子井戸
層に結晶歪を意図的に印加する、いわゆる歪量子井戸構
造を採用した手法がある。この手法について、以下に若
干の説明を行う。例えば、E.Yablonovitch, E.O.Kane,
J. Lightwave Technol, Vol ．6,p ．1292-1299,(1988)
によると、閃亜鉛鉱型の結晶構造をもつ半導体の価電子
帯のエネルギー準位を二次元歪により変化させることが
できる、とされている。すなわち、二次元歪が発生し、
その結果、起こる内部の一軸性の歪成分により、重い正
孔バンドと軽い正孔バンドの縮退が解けるという現象が
生じる。縮退の解けた重い正孔バンドと軽い正孔バンド
とは、それぞれ伝導帯バンドの電子と再結合するが、重
い正孔と電子との再結合はバンド端においてはＴＥモー
ドの利得係数が大きくなり、また、軽い正孔と電子との
再結合はバンド端においてはＴＭモードの利得係数が大
きくなるため、活性層の結晶格子長を基板の格子長に対
して異なるように結晶成長し、活性層の結晶成長面内に
引っ張り応力を加えることにより軽い正孔と電子との再
結合バンドギャップを重い正孔と電子との再結合バンド
ギャップより狭くすることができる。このようにすれ
ば、軽い正孔バンドに多数の正孔が注入され、活性領域
全体としてＴＥモードの利得係数に比較して、ＴＭモー
ドの利得係数を大きくすることが可能となる。この効果
を利用して光閉じ込めの偏光方向依存性を補償するよう
に光学利得係数に偏光方向依存性を生じさせて光増幅の
偏光方向の依存性を解消した半導体光増幅素子を形成す
る手法もあげられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以下、発明が解決しよ
うとする課題を述べる。半導体光増幅素子を含む光通信
系の素子においては、光ファイバの設置状態や温度、圧
力などの環境条件により光ファイバ内で信号光の偏光方
向が揺らぐため、光増幅素子の偏光方向の依存性は光信
号の増幅とともにランダムに変化するという望ましくな
い性質が生じる。

【０００６】この問題に対して、第１の従来技術で述べ
た、活性領域の導波路幅、層厚および屈折率の分布を変
化させる手法では、光電場の振動方向が互いに垂直な二
つの偏光光線に対して横モードの発生を抑圧しながら、
それぞれの偏光に対する光閉じ込めを同一とするには、
特開平３−１２９８２号公報、電子情報通信学会技術研
究報告OQE91-93, 上條他によると活性層幅を０．３〜
０．５μｍ程度とする必要がある、とされる。しかし、
このような狭いストライプ構造を再現性よく作製するこ
とは、事実上不可能である。

【０００７】第２の従来技術で述べた、歪量子井戸構造
において量子井戸層に対して適当な引っ張り歪みを印加
する手段を採用すれば、光増幅の偏光方向における依存
性を解消することは十分に可能である。しかし、従来の
技術で述べた歪みを各量子井戸層に均等に加える構造で
はその解消できる光波長の範囲が狭く、大容量光通信シ
ステムの将来にとって欠くことのできない波長多重光通
信には不適当であるという問題もある。

【０００８】また、光学利得係数の偏光方向の依存性は
半導体光増幅素子に注入する電流によっても変化するた
め、例えば、半導体光増幅素子のおかれた環境の温度が
変動すると、信号光の増幅率を維持するために、注入キ
ャリア密度を変化させる必要が生じる。しかし、この場
合、偏光方向の依存性を低減したまま、信号光の増幅を
実現できない、すなわち、キャリア注入量の変化によ
り、偏光方向に依存しない光増幅素子の利得帯域が移動
すると言う問題もあった。

【０００９】〔発明の目的〕そこで、本発明は、このよ
うな問題点を鑑み、半導体光増幅素子の光増幅の偏光方
向における依存性を広い光波長の範囲で低減すること、
およびキャリア注入を変化させても、光増幅素子の利得
の偏光方向における依存性の変化を低減することを目的
としてなされた。

【００１０】

【課題を解決するための手段】〔発明の構成〕図２は、
従来の技術で述べた歪みを各量子井戸に均一に加えたも
のと本発明のものとの比較を行った図である。図２では
縦軸は光学利得係数、横軸は波長を示す。図２（ａ）は
各量子井戸層に歪みが均一に加えたものであり、ＴＥモ
ードに対する曲線（細い実線）とＴＭモードに対する曲
線（太い実線）とを比較すると両者が交わる波長範囲は
ＴＥモードの利得係数が急激に低減し、消滅する点に近
接しているので、光学利得係数がＴＭモードのほうがＴ
Ｅモードよりも一定の割合で大きな波長範囲、すなわ
ち、光閉じ込め係数がＴＥモードが強い分をキャンセル
する程度にＴＭモードの光学利得係数が強くなる範囲は
波長軸上で非常に狭い領域でしかない。

【００１１】そこで、本発明では、基板上に形成された
活性領域とクラッド層とを有する光増幅素子において、
活性領域を構成する複数の量子井戸層で少なくとも一層
を他層と、例えば引っ張り歪みを加えることにより歪み
量を相違させ、かつ、少なくとも一層と他層との厚さを
異なるものとした。すなわち、図２（ｂ）では、三層の
量子井戸層に加えた歪みと厚さをそれぞれ相違させたも
のを示す。そして、各量子井戸層は対応波長領域がわず
かずつ相違するようなＴＭモードの光学利得係数を得る
ようにし（図２（ｂ）参照）、各量子井戸層のＴＥモー
ドとＴＭモードの光学利得係数をたしあわせると、図２
（ｃ）に示すように光学利得係数、すなわち、ＴＭモー
ドがＴＥモードよりも一定の割合で優位になる波長範囲
は点ではなく、広げられる。

【００１２】以下、図３および図４を用いて、４層の量
子井戸層を有する光増幅素子によりこの原理を説明す
る。図３では、縦軸は上向き方向を電子エネルギーが増
加する方向（すなわち、正孔が減少する方向）とし、横
軸は活性領域におけるそれぞれの量子井戸層の位置を示
す。ここで、各量子井戸層の層厚および引っ張り歪量を
独立に調整すると、電子、重い正孔および軽い正孔の基
底量子準位をそれぞれ図３のように設定できる。以下、
図３を説明する。図３において、それぞれ二点鎖線は軽
い正孔の基底量子準位８、一点鎖線は重い正孔の基底量
子準位９、破線は電子の基底量子準位１０を示す。また
光閉じ込め層の伝導帯バンド端、光閉じ込め層の価電子
帯バンド端１６、１７は実線で示す。軽い正孔を例に取
ると、これらの基底量子準位は、点線１１で示す軽い正
孔のバンド端１１と価電子帯側障壁層バンド端１４のエ
ネルギー差と量子井戸層厚及び軽い正孔の有効質量とに
より決まる。同様に、重い正孔の場合は、実線１２で示
す重い正孔のバンド端と価電子帯側障壁層バンド端１４
のエネルギー差と量子井戸層厚及び重い正孔の有効質量
とにより決まる。電子の基底量子準位については、実線
１３で示す電子のバンド端１３と伝導帯側障壁層バンド
端１５のエネルギー差と量子井戸層厚および電子の有効
質量により決まる。

【００１３】図３からわかるように、各量子井戸層の層
の厚さを厚くする、すなわち、量子井戸の幅を広げると
それぞれの基底量子準位はそれぞれのバンド端に接近す
る。また、各量子井戸層に歪みを加えるとそれぞれのバ
ンド端の位置が変化する。正孔についてみれば、エネル
ギーが増加する方向に移動する。その結果、重い正孔と
軽い正孔との量子準位の上下関係が逆転し、軽い正孔の
量子準位エネルギーが低くなっている。擬フェルミ準位
が一定ならば、正孔エネルギーの低い準位帯にキャリア
が集中するため、軽い正孔帯の光学利得が強くなる。一
般的にいって、軽い正孔の波動関数は、主に量子井戸層
の垂直方向に広がるため、電子と軽い正孔との発光再結
合においてＴＭモード光に対する応答がＴＥモード光に
対する場合よりも強くなる。しかし、重い正孔の波動関
数は量子井戸層の面内方向に広がっているので、ＴＥモ
ード光に対する応答が強くなり、かつ重い正孔の状態密
度は大きいため、従来構造の場合、光学利得のピークは
増幅を行う波長全体としてＴＥモードの光学利得が大き
い。

【００１４】そこで、本発明では、例えば、図４に示す
ようにそれぞれの量子井戸に属する電子−重い正孔再結
合のエネルギーギャップの広がりよりも、電子−軽い正
孔再結合のエネルギーギャップの広がりを狭くするよう
に各量子井戸層に異なった歪みを加えるとともに、各量
子井戸層の厚さそれぞれ異ならせて設定する。図４にお
いて、縦軸は再結合エネルギーを光波長で表した値であ
り、横軸は量子井戸層の番号である。図４からみてわか
るように、軽い正孔は狭い波長範囲に集中し、重い正孔
はやや分散して存在する。その結果、軽い正孔の光学利
得係数は増加し、ＴＭモードの光学利得が大きくなる。

【００１５】各量子井戸層の層厚については、障壁層２
ｃと量子井戸層２ｂとの組成、すなわち量子井戸層に加
えられた歪みと量子井戸層のエネルギーギャップ波長と
が決定されると、量子井戸層の層厚は一義的に決定され
るので、図３に示すように、複数の量子井戸層に異なる
歪みを加えることで各量子井戸層を異なる層厚に設定す
る。

【００１６】

【作用】図５、図６は本発明の作用を示した図である。
図５は、複数の量子井戸間で同一の量子井戸層厚、か
つ、同一の引っ張り歪みを印加した従来例と、本発明に
よる実施例との光学利得係数特性を比較したものであ
る。縦軸は光学利得係数、横軸は光波長をそれぞれ示し
ている。実線はＴＭモードの光学利得特性を、破線はＴ
Ｅモードの光学利得特性をそれぞれ示している。図５か
ら明らかなように、従来例では、ＴＥモード光の利得係
数とＴＭモードの利得係数との差が光波長と共に変化し
ている。それに対し、本発明を実施した場合、約６０ｎ
ｍという広い波長にわたり、ＴＥモード光の利得係数と
ＴＭモード光の利得係数との差をほぼ一定に維持したま
ま、ＴＭモード光の利得係数をＴＥモード光の利得係数
に対してＴＥモードとＴＭモードの光閉じ込め係数の差
を打ち消す程度に大きくすることができた。

【００１７】また、図６は、光学利得係数の特性を電流
を注入した場合の注入キャリアの変化について示した図
である。縦軸は光学利得係数を、横軸は波長を示してい
る。実線はＴＭモードの光学利得係数を、破線はＴＥモ
ードの光学利得係数をそれぞれ示している。この図から
もわかるように、注入キャリアの変化が生じても、ＴＥ
モード光とＴＭモード光の利得係数の大小関係は、ほぼ
均等に維持されており、光増幅特性の環境依存性が低い
ことを示している。

【００１８】

【実施例】図１は本発明による半導体光増幅素子の一実
施例の断面図である。ここで、本発明の半導体光増幅素
子を１．５μｍ帯の波長域に適用した実施例について製
作工程の概略を説明する。

【００１９】まず、ｎ−ＩｎＰの基板１上に、光閉じ込
め層２ａ、４対の量子井戸層２ｂおよび障壁層２ｃから
なるアンドープの活性領域２、ｐ−ＩｎＰよりなる約２
μｍ厚のクラッド層３、ｐ+−ＧａＩｎＡｓＰのキャッ
プ層４を順次、エピタキシャル成長する。この時、光閉
じ込め層２ａと障壁層２ｃのバンドギャップ波長を１．
３μｍとし、４層のＧａxＩｎ1-xＡｓの量子井戸層２ｂ
の層厚と歪量をそれぞれ、( １０ｎｍ、−０．１％）、
(１２ｎｍ、−０．２％）、 (１４ｎｍ、−０．４
％）、 (１４ｎｍ、−０．６４％）とする。この層構成
では、図２に模式的に示すようなバンド構造となり、図
３に示すように各量子井戸層２ｂの間の軽い正孔の基底
量子準位の波長スペクトルにおける広がりを各量子井戸
層２ｂの間の重い正孔の基底量子準位の広がりよりも狭
く設定することができる。

【００２０】次に、キャップ層４の表面に耐酸性のマス
クをストライプ状に被着し、酸性のエッチング液により
活性領域２の位置よりも深くキャップ層４の表面からエ
ッチングを行う。

【００２１】引き続き、この活性領域２、クラッド層３
およびキャップ層４を含むストライプ状の領域をキャッ
プ層４の表面を残してｐ−ＩｎＰとｎ−ＩｎＰとを順次
エピタキシャル成長して埋め込む。

【００２２】そして、この埋め込み工程を終えた基板を
約１００μｍ厚に研磨した後、電極金属としてキャップ
層４側にＡｕＺｎを被着し熱処理してなるｐ型電極５、
および基板１側にＡｕＧｅを被着し熱処理してなるｎ型
電極６を形成する。

【００２３】最後に、この基板を、劈開によりチップ化
した素子端面の内、活性領域２を含むストライプの方向
に垂直な二つの劈開面に無反射膜７を被着し本実施例を
形成する。

【００２４】

【発明の効果】本発明による効果を以下に述べる。本発
明の構造を採用したことにより、単一の素子で、ＴＭモ
ード光とＴＥモード光の増幅率が広い光周波数におい
て、ほぼ一定な偏波無依存の半導体光増幅素子を実現す
ることが可能となった。また、注入キャリアの変化によ
っても、ＴＭモード光とＴＭモード光の利得係数の大小
関係が、ほぼ一定に保たれており、光増幅特性の環境依
存性が低減できた。

【００２５】

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の素子を模式的に示した図であ
る。

【図２】図２は、従来の技術と本発明におけるＴＭモー
ド、ＴＥモードの光学利得係数の関係を示した図であ
る。

【図３】図３は、複数の量子井戸層に異なる歪みを加え
ることにより各層間の軽い正孔の基底量子準位が重い正
孔の基底量子準位の広がりよりも狭くなる様子を模式的
に示した図である。

【図４】図４は、電子と重い正孔、電子と軽い正孔のエ
ネルギーギャップの分布を示した図である。

【図５】図５は、従来例と本発明による一実施例との光
学利得特性を比較し、本発明の優位性を示した図であ
る。

【図６】図６は、本発明による一実施例の光学利得特性
の注入キャリアによる変化に対する安定性を示した図で
ある。 １ 基板。 ２ 活性領域。 ２ａ 光閉じ込め層。 ２ｂ 量子井戸層。 ２ｃ 障壁層。 ３ クラッド層。 ４ キャップ層。 ５ ｐ型電極。 ６ ｎ型電極。 ７ 無反射膜。 ８ 軽い正孔の基底量子準位。 ９ 重い正孔の基底量子準位。 １０ 電子の基底量子準位。 １１ 軽い正孔のバンド端。 １２ 重い正孔のバンド端。 １３ 電子のバンド端。 １４ 価電子帯側障壁層バンド端。 １５ 伝導帯側障壁層バンド端。 １６ 光閉じ込め層の伝導帯バンド端。 １７ 光閉じ込め層の価電子帯バンド端。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板（１）と、活性領域（２）と、クラッ
   ド層（３）とを有する光増幅素子において、 前記活性領域は光閉じ込め層（２ａ）と、少なくとも一
   層が他層と厚さが相違し、かつ格子不整合とされた複数
   の量子井戸層（２ｂ）と、前記各量子井戸層間に量子井
   戸層に接して形成された障壁層（２ｃ）とでなる光増幅
   素子。