JPH0697593A - Semiconductor optical amplification element - Google Patents

Semiconductor optical amplification element

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Publication number
JPH0697593A
JPH0697593A JP27120192A JP27120192A JPH0697593A JP H0697593 A JPH0697593 A JP H0697593A JP 27120192 A JP27120192 A JP 27120192A JP 27120192 A JP27120192 A JP 27120192A JP H0697593 A JPH0697593 A JP H0697593A
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JP
Japan
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layer
active layer
band
optical
semiconductor optical
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Pending
Application number
JP27120192A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Nobuo Suzuki
信夫 鈴木
Masaki Toyama
政樹 遠山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP27120192A priority Critical patent/JPH0697593A/en
Publication of JPH0697593A publication Critical patent/JPH0697593A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/30Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/3403Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers having a strained layer structure in which the strain performs a special function, e.g. general strain effects, strain versus polarisation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/50Amplifier structures not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30

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Abstract

PURPOSE:To contrive the realization of a wide-band and high-gain semiconductor optical amplification element by a method wherein the total thickness of the well layers of an active layer and the width of the stripe of the active layer are set so as to have a specified relation and the active layer of a strained quantum well structure is used. CONSTITUTION:A active layer 16 of a strained quantum well structure is provided on an N-type InP substrate 10. A P side electrode 20 for injecting a current in this active layer 16, an N side electrode 21, an active layer stripe 14 for leading and amplifying light inputted in the layer 16 and an emitting surface 11 for taking out the light amplified in the layer 16 are provided. In the case where the total layer thickness of In0.7Ga0.3As well layers 22 of the layer 16 and the width of a stripe of the layer 16 are respectively assumed d[nm] and W[mum], the d[nm] and the W[mum] are set so as to satisfy the relation between (d-7)W<12 and (d-40)<2>/10000+(W-1.0)<2>/0.8<1. Thereby, a wide-band and high-gain semiconductor optical amplification element, which is capable of amplifying light of a wide range of wavelength, can be realized. Moreover, by applying this element, an increase in the multiplicity of a laser and the simplification of the constitution of the laser are contrived and moreover, the improvement of the reliability of the laser and a reduction in the cost of the laser are also contrived.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、半導体光増幅素子に係
わり、特に波長多重光集積素子や光波長多重システムな
どの分野に用いられる広い波長範囲にわたって高利得が
要求される半導体光増幅素子の改良に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor optical amplifier device, and more particularly to a semiconductor optical amplifier device which is required to have a high gain over a wide wavelength range used in the fields of wavelength multiplexed optical integrated devices and optical wavelength multiplexed systems. Regarding improvement.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より光通信技術の研究や開発が盛ん
に行なわれている。これは光信号伝送が電気信号伝送よ
り伝送速度や信号間の干渉等の点で優れているからであ
る。光通信技術の分野でも、近年、特に光波長多重技術
の進展が著しい。
2. Description of the Related Art Conventionally, research and development of optical communication technology have been actively conducted. This is because optical signal transmission is superior to electrical signal transmission in terms of transmission speed and interference between signals. Also in the field of optical communication technology, the development of optical wavelength multiplexing technology has been particularly remarkable in recent years.

【0003】波長多重光集積素子や光波長多重システム
(光伝送、光交換、光記録、光演算、光計測など)で
は、分岐や合波による損失が大きいため、多波長の一括
増幅ができる光増幅器が望まれている。
In a wavelength-multiplexed optical integrated device or an optical wavelength-multiplexed system (optical transmission, optical switching, optical recording, optical calculation, optical measurement, etc.), loss due to branching or multiplexing is large, so that optical amplification of multiple wavelengths is possible. An amplifier is desired.

【0004】しかしながら、光増幅器によりカバーでき
る究極的な波長範囲は、光増幅器の増幅媒質の誘導放出
利得スペクトルの幅により制限される。今日、光増幅器
の1つとして、Er3+ドープ光ファイバ増幅器が盛んに
使われているが、その利得波長帯域は広いものでも1.
52〜1.57μmに限られており、しかも、この範囲
で利得の波長依存性が大きいという不都合がある。更
に、光ファイバ増幅器では、1.55μm帯以外の光に
対して実用レベルの優れた特性は実現されていない。
However, the ultimate wavelength range that can be covered by the optical amplifier is limited by the width of the stimulated emission gain spectrum of the amplification medium of the optical amplifier. Today, Er 3+ doped optical fiber amplifiers are widely used as one of the optical amplifiers, but even if the gain wavelength band is wide, it is 1.
It is limited to 52 to 1.57 μm, and there is a disadvantage that the wavelength dependence of the gain is large in this range. Further, the optical fiber amplifier has not realized the excellent characteristics of a practical level for light other than the 1.55 μm band.

【0005】また、光増幅器として、進行波型半導体光
増幅素子を用いる場合、その利得スペクトルは光ファイ
バ増幅器と比べて広いといわれているが、InGaAs
P系の進行波型光増幅素子では、その半値幅は高々60
nm程度であった。このため、この種の光増幅器により
広い波長範囲の光を増幅するには、波長範囲により複数
の分岐に分け、それぞれの波長帯について増幅を行なわ
ねばならならず、構成が複雑化するという問題がある。
Further, when a traveling wave type semiconductor optical amplifier is used as an optical amplifier, its gain spectrum is said to be wider than that of an optical fiber amplifier.
The P-type traveling wave type optical amplification element has a half-value width of at most 60.
It was about nm. Therefore, in order to amplify light in a wide wavelength range by this type of optical amplifier, it is necessary to divide into a plurality of branches according to the wavelength range and perform amplification for each wavelength band, which causes a problem that the configuration becomes complicated. is there.

【0006】歪量子井戸構造の活性層を用いた半導体光
増幅素子では、活性層の価電子帯頂点付近の状態密度が
無歪の場合と比べて小さいため、キャリア密度を高めた
ときの価電子帯のフェルミ準位の変化が大きくなる。こ
のため、高キャリア注入状態でのバンド・フィリングに
よる利得スペクトルの短波長側への広がりが大きくな
る。
In a semiconductor optical amplifier device using an active layer having a strained quantum well structure, the density of states near the apex of the valence band of the active layer is smaller than that in the case of no strain. The change in the Fermi level of the band becomes large. Therefore, the spread of the gain spectrum toward the short wavelength side due to band filling in the high carrier injection state becomes large.

【0007】また、活性層を薄くすると、活性層体積や
光閉込め係数が小さくなるため、従来の活性層を用いた
半導体光増幅素子と比べて、同じモード利得を得るのに
高いキャリア密度が必要になる。
Further, when the active layer is made thin, the volume of the active layer and the light confinement coefficient become small. Therefore, a higher carrier density is required to obtain the same mode gain as compared with the conventional semiconductor optical amplifier device using the active layer. You will need it.

【0008】この結果、半導体光増幅素子の発振しきい
電流値以下でキャリア密度が極めて高くなり、バンドフ
ィリングで広がったスペクトルを利用することができ
る。ここで、歪量子井戸構造の活性層は、利得そのもの
が従来の活性層と比べて大きいため、このような小さな
光閉込め係数の活性層でも、通常の電流範囲で十分な利
得を得ることができる。
As a result, the carrier density becomes extremely high below the oscillation threshold current value of the semiconductor optical amplifier device, and the spectrum spread by band filling can be used. Here, the active layer of the strained quantum well structure has a larger gain than that of the conventional active layer, so that even an active layer having such a small optical confinement coefficient can obtain a sufficient gain in a normal current range. it can.

【0009】しかしながら、広い利得スペクトルと最大
利得との間には、一般に、トレードオフの関係があり、
十分な利得と出力レベルと広帯域性を両立させることは
困難であるという問題があった。
However, there is generally a trade-off between wide gain spectrum and maximum gain,
There is a problem that it is difficult to achieve a sufficient gain, an output level, and wide bandwidth.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来より
光増幅器として、Er3+ドープ光ファイバ増幅器や、進
行波型半導体光増幅素子が用いられていたが、波長多重
光集積素子や光波長多重システムで望まれる多波長の一
括増幅が困難であるという問題があった。
As described above, Er 3+ doped optical fiber amplifiers and traveling wave type semiconductor optical amplifiers have been conventionally used as optical amplifiers. However, wavelength multiplexed optical integrated devices and optical wavelengths have been used. There is a problem that it is difficult to collectively amplify multiple wavelengths which is desired in a multiplex system.

【0011】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、広い波長範囲にわたっ
て利得が大きい半導体光増幅素子を提供することにあ
る。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor optical amplifier device having a large gain over a wide wavelength range.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の半導体光増幅素子は、半導体基板上に形
成された歪量子井戸構造の活性層と、この活性層に電流
を注入する手段と、前記活性層に光を導入するための手
段と、前記活性層で増幅された前記光を取り出すための
手段とを備え、前記活性層の井戸層の合計層厚をd[n
m]、前記活性層のストライプ幅をW[μm]とした場
合に、前記井戸層の合計層厚及び前記ストライプ幅が、
(d−7)W≦12,(d−40)2 /1000+(W
−1.0)2 /0.8≦1の2つの不等式を満たすこと
を特徴とする。
In order to achieve the above-mentioned object, a semiconductor optical amplifier device of the present invention has a strained quantum well structure active layer formed on a semiconductor substrate and a current is injected into this active layer. Means, a means for introducing light into the active layer, and a means for extracting the light amplified in the active layer, and the total layer thickness of the well layers of the active layer is d [n
m] and the stripe width of the active layer is W [μm], the total layer thickness of the well layer and the stripe width are
(D-7) W ≦ 12 , (d-40) 2/1000 + (W
It is characterized by satisfying two inequalities of −1.0) 2 /0.8≦1.

【0013】ここで、歪量子井戸構造の活性層とは、基
板と格子定数の異なる半導体薄膜からなる量子井戸構造
の活性層をいう。
Here, the active layer having a strained quantum well structure refers to an active layer having a quantum well structure composed of a semiconductor thin film having a lattice constant different from that of the substrate.

【0014】なお、前記活性層の側面にp型クラッド層
が接していることが好ましい。
It is preferable that the p-type cladding layer is in contact with the side surface of the active layer.

【0015】更に、前記量子井戸の井戸層がIn1-x
x Asy 1-y (0≦x<1、0<y≦1)の場合、
前記量子井戸の障壁層をIn1-u (Ga1-v Alv u
As(0≦u<1,0<v≦1)とすることが好まし
い。
Further, the well layer of the quantum well is made of In 1-x G
In the case of a x As y P 1-y (0 ≦ x <1, 0 <y ≦ 1),
The barrier layer of the quantum well is made of In 1-u (Ga 1-v Al v ) u
As (0 ≦ u <1, 0 <v ≦ 1) is preferable.

【0016】[0016]

【作用】発明者等の研究によれば、(d−7)W<12
を満たす範囲で広い利得スペクトル(利得半値幅60n
m以上)が実現され、また、(d−40)2 /1000
+(W−1.0)2 /0.8<1を満たす範囲で最大利
得(20dB以上)が実現されることが分かった。
According to the research conducted by the inventors, (d-7) W <12
A wide gain spectrum within the range that satisfies
m or more) is achieved, also, (d-40) 2/ 1000
It was found that the maximum gain (20 dB or more) was realized in the range where + (W-1.0) 2 /0.8<1 was satisfied.

【0017】したがって、上記2つの不等式を同時に満
たす歪量子井戸構造の活性層を用いれば、広帯域・高利
得の光半導体増幅素子が実現される。
Therefore, if an active layer having a strained quantum well structure that simultaneously satisfies the above two inequalities is used, a broadband and high gain optical semiconductor amplifier device can be realized.

【0018】[0018]

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0019】図1は、本発明の第1の実施例に係る半導
体光増幅素子の一部を切欠して示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing a semiconductor optical amplifier device according to a first embodiment of the present invention with a part thereof cut away.

【0020】図中、10はn型InP基板を示してお
り、このn型InP基板10上には埋め込み構造の活性
層16を有する歪量子井戸レーザが形成されている。
In the figure, reference numeral 10 denotes an n-type InP substrate, and a strained quantum well laser having an active layer 16 having a buried structure is formed on the n-type InP substrate 10.

【0021】この増幅された光を取り出すための出射面
11には、多層膜からなる広帯域無反射コーティング1
2と活性層16の除去された領域いわゆる窓構造13と
が設けられており、また、活性層ストライプ14は劈開
面と垂直な方向から数度傾けられている。このような構
造によって、1.3〜1.6μmの広い波長範囲に渡っ
て端面反射率が0.1%以下に抑えられ、レーザ・チッ
プ単体での発振が抑制されている。
On the emitting surface 11 for taking out the amplified light, a broadband antireflection coating 1 made of a multilayer film is formed.
2 and a region where the active layer 16 is removed, a so-called window structure 13 is provided, and the active layer stripe 14 is inclined several degrees from the direction perpendicular to the cleavage plane. With such a structure, the end face reflectance is suppressed to 0.1% or less over a wide wavelength range of 1.3 to 1.6 μm, and oscillation of the laser chip alone is suppressed.

【0022】また、出射面11と反対側の端面から導入
された光を活性層に導くための活性層ストライプ14に
沿っては、n型InPバッファ層15、活性層16、p
型InPクラッド層17及びp型InGaAsP側オー
ミックコンタクト層18が形成されており、また、活性
層ストライプ14はp型InPクラッド層17で側面が
覆われている。
Further, along the active layer stripe 14 for guiding the light introduced from the end surface on the side opposite to the emission surface 11 to the active layer, the n-type InP buffer layer 15, the active layer 16, p.
The type InP clad layer 17 and the p-type InGaAsP side ohmic contact layer 18 are formed, and the side surface of the active layer stripe 14 is covered with the p-type InP clad layer 17.

【0023】また、p型InPクラッド層17の活性層
ストライプ14から離れた部分は、プロトン注入により
半絶縁性化された領域19が形成されている。そして、
P側オーミックコンタクト層18上にはp側電極20が
設けれ、n型InP基板10の裏面にはn側電極21が
設けられている。これらp側電極20,n側電極21か
ら活性層16にそれぞれ正孔と電子が注入され、反転分
布が生じることにより誘導放出利得が生じる。
A region 19 of the p-type InP clad layer 17 separated from the active layer stripe 14 is formed with a semi-insulating region 19 by proton injection. And
A p-side electrode 20 is provided on the P-side ohmic contact layer 18, and an n-side electrode 21 is provided on the back surface of the n-type InP substrate 10. Holes and electrons are injected into the active layer 16 from the p-side electrode 20 and the n-side electrode 21, respectively, and population inversion occurs, so that stimulated emission gain occurs.

【0024】また、上述した活性層16は、n型InP
バッファ層15に格子整合する波長1.15μm相当の
組成のIn1-x Gax Asy 1-y 障壁層23と、厚さ
4nmのIn0.7 Ga0.3 As井戸層22とが相互に積
層されたもので、計4層のIn0.7 Ga0.3 As井戸層
22(合計層厚は16nm)と計5層のIn1-x Gax
Asy 1-y 障壁層23とからなる量子井戸構造を有し
ている。なお、活性層16の幅は約1μmであり、ま
た、この活性層16の横方向も考慮した光閉じ込め係数
は1%以下である。
The active layer 16 is made of n-type InP.
An In 1-x Ga x As y P 1-y barrier layer 23 having a composition equivalent to a wavelength of 1.15 μm, which lattice-matches the buffer layer 15, and an In 0.7 Ga 0.3 As well layer 22 having a thickness of 4 nm are laminated on each other. 4 layers of In 0.7 Ga 0.3 As well layers 22 (total layer thickness is 16 nm) and 5 layers of In 1-x Ga x.
It has a quantum well structure including the As y P 1-y barrier layer 23. The width of the active layer 16 is about 1 μm, and the optical confinement coefficient considering the lateral direction of the active layer 16 is 1% or less.

【0025】In1-x Gax Asy 1-y 障壁層23
は、n型InP基板10と約1%の格子不整合を有する
が、臨界膜厚(約20nm)より十分に薄いので、面内
で圧縮され方線方向に伸びるように弾性的に歪んだ状態
となっており、転位などの欠陥はほとんど生じない。
In 1-x Ga x As y P 1-y barrier layer 23
Has a lattice mismatch of about 1% with the n-type InP substrate 10, but is sufficiently thinner than the critical film thickness (about 20 nm), so that it is elastically strained so as to be compressed in the plane and extend in the direction of the line. Therefore, defects such as dislocation hardly occur.

【0026】In0.7 Ga0.3 As井戸層22の中では
電子や正孔は量子化されている。一般に量子井戸の価電
子帯は重い正孔帯と軽い正孔帯とがミキシングされるた
め複雑な分散構造を持つ。しかし、本実施例のように圧
縮歪みがある場合には、この歪の効果で重い正孔帯と軽
い正孔帯との縮退が解け、価電子帯の頂点付近は重い正
孔の寄与が支配的になる。重い正孔帯はその名前にもか
かわらず井戸面内方向では有効質量が小さいため、その
状態密度は小さい。
In the In 0.7 Ga 0.3 As well layer 22, electrons and holes are quantized. Generally, the valence band of a quantum well has a complicated dispersion structure because a heavy hole band and a light hole band are mixed. However, when there is a compressive strain as in this example, the degeneracy of the heavy hole band and the light hole band is canceled by the effect of this strain, and the contribution of heavy holes is dominant near the top of the valence band. Be correct. Despite its name, the heavy hole band has a small effective mass in the in-plane direction of the well, so its density of states is small.

【0027】図2に、この圧縮歪の有無の違いによる価
電子帯構造の変化を示す。これはIn0.53Ga0.47As
/In1-x Gax Asy 1-y 系の量子井戸についての
もので、図2(a)は圧縮歪量子井戸の場合の波数(井
戸層に平行な波数)と正孔のエネルギーとの関係を示
し、図2(b)は無歪量子井戸の場合のそれを示してい
る。なお、In0.53Ga0.47Asの厚さ4nmである。
また、図中、HHは波数が0の点(Γ点)で重い正孔に
なるバンドを示し,LHはΓ点では軽い正孔となるバン
ドを示している。これら記号の添字は異なるバンド帯を
示している。
FIG. 2 shows changes in the valence band structure depending on the presence or absence of the compressive strain. This is In 0.53 Ga 0.47 As
/ In 1-x Ga x As y P 1-y system quantum well, FIG. 2A shows the wave number (wave number parallel to the well layer) and hole energy in the case of a compressive strain quantum well. 2B, and FIG. 2B shows that in the case of a strain-free quantum well. The thickness of In 0.53 Ga 0.47 As is 4 nm.
Further, in the figure, HH indicates a band that becomes a heavy hole at a point where the wave number is 0 (Γ point), and LH indicates a band that becomes a light hole at a Γ point. The subscripts of these symbols indicate different band bands.

【0028】この図の分散特性曲線の形状から、圧縮歪
量子井戸の場合の方が、無歪量子井戸の場合より状態密
度が小さいことが分かる。
From the shape of the dispersion characteristic curve in this figure, it can be seen that the density of states is smaller in the case of the compressive strained quantum well than in the case of the strainless quantum well.

【0029】図3は、圧縮歪がある場合と無い場合との
キャリア注入による価電子帯の擬フェルミ準位の変化を
示す図である。この図から、圧縮歪量子井戸の場合の方
が無歪量子井戸の場合より、キャリア注入による疑フェ
ルミレベルの変化が大きいことが分かる。これは圧縮歪
量子井戸の方が無歪量子井戸より状態密度が小さいから
である。
FIG. 3 is a diagram showing changes in the quasi-Fermi level of the valence band due to carrier injection with and without compressive strain. From this figure, it is understood that the change in the pseudo Fermi level due to carrier injection is larger in the case of the compressive strained quantum well than in the case of the non-strained quantum well. This is because the compressive strained quantum well has a smaller state density than the non-strained quantum well.

【0030】上記の効果により、圧縮歪を有する歪量子
井戸では、伝導帯と価電子帯の対称性が改善されるの
で、キャリアの利用効率が高くなり、同じ井戸幅の無歪
量子井戸と比べて大きな誘導放出利得が実現される。
Due to the above effects, in the strained quantum well having compressive strain, the symmetry between the conduction band and the valence band is improved, so that the utilization efficiency of carriers is increased and compared with the strainless quantum well having the same well width. And a large stimulated emission gain is realized.

【0031】TEモード利得には重い正孔と軽い正孔の
両者が関与し、また、TMモード利得には軽い正孔のみ
が寄与する。圧縮歪により価電子帯頂点付近は、重い正
孔に支配されている。このため、圧縮歪を有する歪量子
井戸では、TEモード利得が特に大きくなる。
Both heavy holes and light holes are involved in TE mode gain, and only light holes contribute to TM mode gain. Due to the compressive strain, the vicinity of the top of the valence band is dominated by heavy holes. Therefore, in a strained quantum well having compressive strain, the TE mode gain becomes particularly large.

【0032】また、圧縮歪量子井戸の場合、上述したよ
うに、キャリア注入による価電子帯の擬フェルミ・レベ
ルの変化が大きいため、同一注入キャリア密度で比較し
たスペクトル幅も無歪量子井戸の場合より広くなる。し
かし、実際に活性層に導波される光はクラッド層までし
みだしているため、モード利得は、井戸層への光閉込め
係数と活性層の利得との積となる。したがって、光閉込
め係数を小さくしてモード利得の増大を抑えることで、
非常にブロードでフラットなスペクトルを実現すること
ができる。
Further, in the case of the compressive strained quantum well, as described above, the change in the quasi-Fermi level of the valence band due to carrier injection is large. Get wider. However, since the light actually guided to the active layer penetrates into the cladding layer, the mode gain is the product of the optical confinement coefficient to the well layer and the gain of the active layer. Therefore, by reducing the optical confinement coefficient and suppressing the increase in mode gain,
A very broad and flat spectrum can be achieved.

【0033】図4はそのことを示すTEモードにおける
波長と利得との関係を示す特性図である。最大利得は2
3dBで、利得半値幅約は180nm、そして、3dB
飽和出力は14dBmである。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the wavelength and the gain in the TE mode showing this. Maximum gain is 2
At 3 dB, the half-value width of the gain is about 180 nm, and 3 dB
The saturation output is 14 dBm.

【0034】図5は、活性層16の幅W(μm)、In
0.7 Ga0.3 As井戸層22の合計層厚d(nm)と特
性の関係をプロットしたものである。
FIG. 5 shows the width W (μm) of the active layer 16, In
It is a plot of the relationship between the total layer thickness d (nm) of the 0.7 Ga 0.3 As well layer 22 and the characteristics.

【0035】図中、曲線Iは(d−7)W=12で表さ
れ、曲線Iより下の領域、つまり、(d−7)W<12
(以下、式1ともいう)の領域は60nm以上の高利得
半値幅が得られる領域を示している。
In the figure, the curve I is represented by (d-7) W = 12, and the area below the curve I, that is, (d-7) W <12.
The area of (hereinafter, also referred to as Expression 1) indicates an area where a high gain half width of 60 nm or more is obtained.

【0036】また、図中、曲線IIは(d−40)2
1000+(W−1.0)2 /0.8=1で表され、曲
線Iより上の領域、つまり、(d−40)2 /1000
+(W−1.0)2 /0.8<1(以下、式2ともい
う)の領域は20dB以上の最大利得が得られる領域を
示している。
In the figure, the curve II is (d-40) 2 /
1000+ (W-1.0) is represented by 2 /0.8=1, the area above the curve I, i.e., (d-40) 2/ 1000
The area of + (W-1.0) 2 /0.8<1 (hereinafter, also referred to as Expression 2) indicates the area where the maximum gain of 20 dB or more is obtained.

【0037】式1はおおむね光閉じ込め係数に関する制
限を与えているもので、また、式2はおおむねキャリア
密度とその分布に関する制限を与えているものだと考え
られる。
It is considered that the equation 1 gives a limitation on the optical confinement coefficient, and the equation 2 gives a limitation on the carrier density and its distribution.

【0038】即ち、式1,式2の両式を満たす範囲にお
いて、厚さ方向と幅方向の光閉じ込め係数を小さく、キ
ャリア密度を高く、且つキャリア分布の不均一性を小さ
く保つことができる。
That is, in the range satisfying both equations (1) and (2), it is possible to keep the optical confinement coefficient in the thickness direction and the width direction small, the carrier density high, and the carrier distribution nonuniformity small.

【0039】本実施例の半導体光増幅素子の活性層16
のd,wは、図5の黒点で示される位置にあり、式1,
式2の両式を満たしているので、広い波長範囲にわたっ
て高い利得が実現される。
The active layer 16 of the semiconductor optical amplifier device of this embodiment.
D and w at the positions shown by the black dots in FIG.
Since both expressions of Expression 2 are satisfied, high gain is realized over a wide wavelength range.

【0040】また、本実施例の半導体光増幅素子では、
各In0.7 Ga0.3 As井戸層22の側面にp型クラッ
ド層17が直接接しているので、高出力レベルでも多重
井戸層間のキャリア分布の不均一が生じ難く、飽和出力
レベルが高くなる。
Further, in the semiconductor optical amplifier device of this embodiment,
Since the p-type cladding layer 17 is in direct contact with the side surface of each In 0.7 Ga 0.3 As well layer 22, uneven carrier distribution between multiple well layers hardly occurs even at a high output level, and the saturation output level becomes high.

【0041】飽和出力レベルが高くなるのは次のように
考えられる。高出力で内部のキャリアが不足したとき
に、井戸内部のキャリア分布が不均一になるため、利得
の飽和が起こる。特に、InGaAs(P)/InGa
AsP系の光増幅素子の場合、価電子帯側のバンド不連
続が大きいこと、正孔の移動度が低いことなどが原因し
て、p側クラッドからの遠い井戸への正孔の供給が十分
に行なえない。
The reason why the saturation output level becomes high is considered as follows. When the output is high and the internal carriers are insufficient, the carrier distribution inside the well becomes non-uniform, resulting in gain saturation. In particular, InGaAs (P) / InGa
In the case of an AsP-based optical amplification element, due to the large band discontinuity on the valence band side and the low mobility of holes, etc., holes are sufficiently supplied from the p-side cladding to the far well. I can't.

【0042】しかし、本実施例では、各In0.7 Ga
0.3 As井戸層22の側面にp型クラッド層17が直接
接しているため、このp型クラッド層17からの正孔の
供給が行なわれ、また、式1,式2の両式を満たす条件
下では、井戸内の幅方向のキャリアの再分布が容易であ
ることなどの理由で、キャリア分布の不均一が小さくな
る。したがって、従来構造と比較して飽和レベルが高く
なる。
However, in this embodiment, each In 0.7 Ga
Since the p-type clad layer 17 is in direct contact with the side surface of the 0.3 As well layer 22, holes are supplied from this p-type clad layer 17, and under the conditions that both equations 1 and 2 are satisfied. Then, the non-uniformity of the carrier distribution becomes small because the carrier can be easily redistributed in the width direction in the well. Therefore, the saturation level becomes higher than that of the conventional structure.

【0043】なお、比較のため、従来の無歪量子井戸を
用いた半導体光増幅素子のTEモードにおける利得スペ
クトルの例を図6に示す。この場合でも、式1を満たさ
ないとブロードなスペクトルは得られないことが分かっ
た。また、量子井戸数が10(合計層厚40nm)の場
合のTEモードの誘導放出利得スペクトルを図7に示
す。図7の利得スペクトルも図6の利得スペクトルも波
長帯域は小さいことが分かる。
For comparison, FIG. 6 shows an example of a gain spectrum in a TE mode of a semiconductor optical amplifier device using a conventional strain-free quantum well. Even in this case, it was found that a broad spectrum cannot be obtained unless Formula 1 is satisfied. FIG. 7 shows the stimulated emission gain spectrum of TE mode when the number of quantum wells is 10 (total layer thickness 40 nm). It can be seen that both the gain spectrum of FIG. 7 and the gain spectrum of FIG. 6 have a small wavelength band.

【0044】図8は、本発明の第2の実施例に係る半導
体光集積素子(広帯域波長可変光源)の概略構成を示す
模式図である。
FIG. 8 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a semiconductor optical integrated device (broadband wavelength variable light source) according to the second embodiment of the present invention.

【0045】この半導体光集積素子は、大きく分けて、
1.45μmから1.65μmまでの16個の異なる波
長で発振する発振波長可変レーザ61と、これら発振波
長可変レーザ61の出射光を選択するための2×2光ス
イッチ62と、量子井戸光導波路64により導波された
光を増幅するための半導体光増幅素子63とで構成さ
れ、これらはInP基板60上に集積化されている。
This semiconductor optical integrated device is roughly classified into
Oscillation wavelength tunable laser 61 that oscillates at 16 different wavelengths from 1.45 μm to 1.65 μm, 2 × 2 optical switch 62 for selecting the emitted light of these oscillation wavelength tunable laser 61, and quantum well optical waveguide And a semiconductor optical amplifier 63 for amplifying the light guided by 64, and these are integrated on the InP substrate 60.

【0046】発振波長可変レーザ61は、それぞれ約2
0nmの波長範囲をカバーする多電極DFBレーザであ
り、中心波長が約12.5nmづつずれている。この結
果、16個の発振波長可変レーザ61のうち、1個を発
振させ、光スイッチ62の経路を選択することで1.4
5〜1.65μmの波長範囲を連続的にカバーすること
ができる。
The oscillation wavelength tunable lasers 61 each have about 2
It is a multi-electrode DFB laser that covers the wavelength range of 0 nm, and the center wavelength is shifted by about 12.5 nm. As a result, one of 16 oscillation wavelength tunable lasers 61 is oscillated, and the path of the optical switch 62 is selected.
The wavelength range of 5 to 1.65 μm can be continuously covered.

【0047】半導体光増幅素子63の活性層構造は第1
の実施例のものと同じであり、入力光を約10倍増幅す
ることができ、光計測や光ヘテロダイン受信などで要求
されるような大きなパワーを出力することができる。
The active layer structure of the semiconductor optical amplifier device 63 is the first
This is the same as that of the above embodiment, the input light can be amplified by about 10 times, and a large power required for optical measurement or optical heterodyne reception can be output.

【0048】また、半導体光増幅素子63は、その活性
層ストライプが出射端面に対して垂直から5゜ずらして
作製され、更に、出射端面が窓構造になっており、これ
らに加えて、無反射コーティング65が形成されている
ため、端面反射率は1.45μm〜1.65μmの波長
範囲に渡って0.2%以下に抑えられている。半導体光
増幅素子63の入射側には、量子井戸光導波路64が接
続されており、その接続部の反射率も0.2%以下であ
る。
Further, the semiconductor optical amplification element 63 is manufactured by arranging the active layer stripes thereof to be displaced by 5 ° from the vertical direction with respect to the emission end face, and further, the emission end face has a window structure. Since the coating 65 is formed, the end face reflectance is suppressed to 0.2% or less over the wavelength range of 1.45 μm to 1.65 μm. The quantum well optical waveguide 64 is connected to the incident side of the semiconductor optical amplification element 63, and the reflectance of the connecting portion is also 0.2% or less.

【0049】上述したように、半導体光増幅素子63の
活性層構造は、第1の実施例のものと同じであり、図4
と類似の利得スペクトルを有する。したがって、1.4
5〜1.65μmの波長範囲に渡って波長による利得変
化を4dB以内に抑えることができる。この結果、1チ
ップで1.45μm〜1.65μmの広い波長範囲に渡
って十分な出力パワーを得られる集積化波長可変レーザ
光源が実現される。
As described above, the active layer structure of the semiconductor optical amplifier device 63 is the same as that of the first embodiment, and the structure shown in FIG.
Has a gain spectrum similar to. Therefore 1.4
It is possible to suppress the gain variation due to the wavelength within 4 dB over the wavelength range of 5 to 1.65 μm. As a result, an integrated wavelength tunable laser light source capable of obtaining sufficient output power over a wide wavelength range of 1.45 μm to 1.65 μm with one chip is realized.

【0050】図9は、本発明の第3の実施例に係る光波
長多重伝送用の半導体光集積素子の概略構成を示す模式
図である。
FIG. 9 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a semiconductor optical integrated device for optical wavelength division multiplexing transmission according to a third embodiment of the present invention.

【0051】本実施例の半導体光集積素子が先の実施例
のそれと主として異なる点は、1.47μmから1.6
2μmまでの波長範囲において、各々10nmづつ異な
る半導体レーザ71が同時に発振していることにある。
The main difference between the semiconductor optical integrated device of this embodiment and that of the previous embodiment is that it is 1.47 μm to 1.6.
In the wavelength range of up to 2 μm, different semiconductor lasers 71 each oscillate by 10 nm at the same time.

【0052】この半導体光集積素子は、コンピュータの
架間やボード間の情報伝送などに向けた、低コストの光
パラレル・リンクに使用されるものである。
This semiconductor optical integrated device is used for a low-cost optical parallel link for transmitting information between racks of computers or between boards.

【0053】本実施例の半導体光増幅素子63は、第2
の実施例のそれと同じ構成になっており、1.47〜
1.62μmの16波長の光を一括して増幅できる。な
お、その動作原理も先の二つの実施例と同じである。
The semiconductor optical amplifier element 63 of this embodiment is the second one.
It has the same configuration as that of the embodiment of 1.47.
Light of 16 wavelengths of 1.62 μm can be collectively amplified. The operating principle is the same as in the previous two embodiments.

【0054】本実施例の半導体光集積素子の用途におい
ては、通常、伝送距離が数100m以内の短距離なの
で、それほど高い出力は要求されないが、Y型光合波器
72を3段通すことで1/16以下に減衰した光を約1
0倍に増幅して出力できる。
In the application of the semiconductor optical integrated device of this embodiment, since the transmission distance is usually a short distance of several hundred meters or less, so high output is not required, but by passing the Y-type optical multiplexer 72 through three stages, Approximately 1 for light attenuated below / 16
It can be amplified by 0 times and output.

【0055】また、波長による利得変動は3dB以内で
あり、各半導体レーザ71の出力を半導体光増幅素子6
3の利得に合わせて調整することにより、容易に各波長
の出力パワーをほぼ等しくそろえることができる。な
お、パワー・モニタなども必要に応じて集積化可能であ
る。
The gain variation due to the wavelength is within 3 dB, and the output of each semiconductor laser 71 is the semiconductor optical amplifier device 6.
By adjusting it according to the gain of 3, the output powers of the respective wavelengths can be easily equalized. A power monitor and the like can be integrated if necessary.

【0056】また、各半導体レーザ71は約630Mb
/sで動作しており、トータルで約10Gb/sの情報
を伝達できる。このため、時分割多重化と比べて、高速
のマルチプレクサや高速信号処理部が不要になり、経済
的である。しかも、合波に高価な干渉膜フィルターなど
使用しないで済むので、サイズもコンパクトになるとい
う利点がある。
Each semiconductor laser 71 is about 630 Mb.
It operates at / s and can transmit a total of about 10 Gb / s of information. Therefore, compared to the time division multiplexing, a high speed multiplexer and a high speed signal processing unit are not required, which is economical. Moreover, since it is not necessary to use an expensive interference film filter for multiplexing, there is an advantage that the size is compact.

【0057】更に、波長間隔が10nmと比較的広いの
で、光周波数多重(光FDM)伝送と比べて、各波長の
レーザ光スペクトル幅に対する制限も緩やかで、受信側
での分離も容易である。
Further, since the wavelength interval is relatively wide at 10 nm, the limitation on the laser beam spectrum width of each wavelength is looser and separation on the receiving side is easier than in optical frequency division multiplexing (optical FDM) transmission.

【0058】図10は、本発明の第4の実施例に係る双
方向光多重通信用の半導体光集積素子の概略構成を示す
模式図である。
FIG. 10 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a semiconductor optical integrated device for bidirectional optical multiplex communication according to the fourth embodiment of the present invention.

【0059】本実施例の半導体光集積素子は、光加入者
端末の低価格1チップ電気/光変換素子として使われ
る。
The semiconductor optical integrated device of this embodiment is used as a low-priced one-chip electrical / optical conversion device for an optical subscriber terminal.

【0060】各光集積素子は、InP基板80上に形成
されており、1.3μm帯送信用DFBレーザ81,導
波路結合型pinフォトダイオード82,1.56μm
帯集積化光FDM信号受信器83,広帯域の半導体光増
幅素子84,1.3μm帯/1.55μm帯波長分割型
の光合分波器85及びY分岐86が1チップに集積化さ
れている。
Each optical integrated device is formed on an InP substrate 80, and has a 1.3 μm band DFB laser 81 for transmission, a waveguide coupling type pin photodiode 82, and 1.56 μm.
A band integrated optical FDM signal receiver 83, a wide band semiconductor optical amplifier 84, a 1.3 μm band / 1.55 μm band wavelength division type optical multiplexer / demultiplexer 85 and a Y branch 86 are integrated on one chip.

【0061】1.3μm帯送信用DFBレーザ81とp
inフォトダイオード82とは、1.3μm帯上り/
1.52μm帯下り双方向通信回線の送受信に使用さ
れ、1.56μm帯集積化光FDM信号受信器83は、
高精細光CATVなどの放送型回線の受信に使われる。
1.3 μm band transmission DFB laser 81 and p
The in-photodiode 82 is a 1.3 μm band upstream /
The 1.56 μm band integrated optical FDM signal receiver 83, which is used for transmission / reception of the 1.52 μm band downlink bidirectional communication line,
It is used to receive broadcasting lines such as high definition optical CATV.

【0062】1.3μm帯送信用DFBレーザ81は出
力光モニタ87と伴に集積化されている。また、集積化
光FDM信号受信器83は、DFB光増幅器型のチュー
ナブル・フィルタ88と導波路結合型pinフォトダイ
オード89とで構成されている。
The 1.3 μm band DFB laser 81 for transmission is integrated with the output light monitor 87. The integrated optical FDM signal receiver 83 is composed of a DFB optical amplifier type tunable filter 88 and a waveguide coupled pin photodiode 89.

【0063】光FDM信号はチューナブル・フィルタ8
8により選択される。光FDM信号は周波数変調されて
おり、チューナブル・フィルタ88の利得ピーク波長は
選択信号の波長からずらすことで、周波数による利得変
化を利用して強度信号に変換される。即ち、チューナブ
ル・フィルタ88は、波長選択機能と増幅機能とFM−
IM変換機能を同時に有する。
The optical FDM signal has a tunable filter 8
Selected by 8. The optical FDM signal is frequency-modulated, and by shifting the gain peak wavelength of the tunable filter 88 from the wavelength of the selection signal, it is converted into an intensity signal by utilizing the gain change depending on the frequency. That is, the tunable filter 88 has a wavelength selection function, an amplification function, and an FM-
It has IM conversion function at the same time.

【0064】pinフォトダイオード89は、チューナ
ブル・フィルタ88で選択、増幅されIM変換された光
のみを受信する。一方、pinフォトダイオード82に
は強度変調された1.52μm帯光に加えて周波数変調
され光周波数多重化された1.56μm帯光も入射す
る。しかし、1.56μm光の強度変化は小さいため、
バックグラウンド光となり、強度変調されている1.5
2μm帯の信号のみがpinフォトダイオード82によ
り受信される。
The pin photodiode 89 receives only the light selected and amplified by the tunable filter 88 and IM-converted. On the other hand, in addition to the intensity-modulated 1.52 μm band light, the frequency-modulated and optical frequency-multiplexed 1.56 μm band light also enters the pin photodiode 82. However, since the intensity change of 1.56 μm light is small,
It becomes background light and is intensity-modulated 1.5
Only the 2 μm band signal is received by the pin photodiode 82.

【0065】1.52μm帯の光の入力パワーは、1.
56μm帯で光FDMされた光の合計入力パワーとコン
パラブルになるように設定されている。この手法によ
り、1.52μmと1.56μmの分波器をY分岐86
で置き換えられるので、チップの小形化と低価格化が図
られる。
The input power of light in the 1.52 μm band is 1.
It is set so as to be compatible with the total input power of the light subjected to the optical FDM in the 56 μm band. By this method, the 1.52 μm and 1.56 μm duplexers are Y-branched 86
Since it is replaced with, the chip can be made smaller and the price can be reduced.

【0066】半導体光増幅素子84は、この光集積素子
の導波損失や合分波損失などを補償するために使用され
る。この広帯域半導体光増幅器84の活性層は、先の実
施例の半導体光増幅素子のそれと同じ構成になってお
り、また、活性層ストライプは、光ファイバ結合系の側
の端面反射率が1.3〜1.56μm帯に対して0.2
%以下に抑えられている。導波路側からの戻り光が小さ
いため、広帯域の半導体光増幅素子84自身の発振は有
効に抑制される。
The semiconductor optical amplification element 84 is used to compensate for the waveguide loss, the multiplexing / demultiplexing loss, etc. of this optical integrated element. The active layer of the broadband semiconductor optical amplifier 84 has the same structure as that of the semiconductor optical amplifier element of the previous embodiment, and the active layer stripe has an end face reflectance on the optical fiber coupling system side of 1.3. 0.2 for 1.56 μm band
% Or less. Since the return light from the waveguide side is small, the oscillation of the broadband semiconductor optical amplifier element 84 itself is effectively suppressed.

【0067】上述したように、本実施例の半導体光増幅
素子4の活性層は、先の実施例の半導体光増幅素子のそ
れと同じ構成になっているため、図4に示すように、
1.3μm帯と1.52〜1.56μm帯の光に対して
十分かつ同程度の利得を有しており、従来にない広帯域
の波長をカバーできる。なお、このような広い利得が得
られる原理は前の実施例と同様である。
As described above, since the active layer of the semiconductor optical amplifier device 4 of this embodiment has the same structure as that of the semiconductor optical amplifier device of the previous embodiment, as shown in FIG.
It has a sufficient and similar gain to the light in the 1.3 μm band and the light in the 1.52 to 1.56 μm band, and can cover an unprecedented wide band wavelength. The principle of obtaining such a wide gain is the same as in the previous embodiment.

【0068】図11は、本発明の第5の実施例に係る半
導体光増幅素子の一部を切欠して示す斜視図である。な
お、図1の半導体光増幅素子と対応する部分には図1と
同一符号を付してあり、詳細な説明は省略する。
FIG. 11 is a perspective view showing a semiconductor optical amplifier device according to the fifth embodiment of the present invention with a part thereof cut away. The parts corresponding to those of the semiconductor optical amplifier device in FIG. 1 are designated by the same reference numerals as those in FIG. 1, and detailed description thereof will be omitted.

【0069】この半導体光増幅素子は、n型InP基板
10上に作製された埋め込みヘテロ構造の歪量子井戸レ
ーザ構造を有し、端面反射率を低く抑えることで発振し
きい値を高めた進行波型半導体レーザ増幅器となってい
る。
This semiconductor optical amplifier device has a strained quantum well laser structure of a buried hetero structure formed on an n-type InP substrate 10, and a traveling wave whose oscillation threshold is raised by suppressing the end facet reflectance to a low level. Type semiconductor laser amplifier.

【0070】また、1.35〜1.55μmの広い波長
範囲に渡って端面反射率を0.1%以下に抑えるため
に、入出射面11に多層膜無反射コーティング12を施
しただけでなく、窓構造13を採用し、更に、活性層ス
トライプ14を劈開面と垂直な方向から傾けている。こ
の半導体レーザ増幅器はペルチエ冷却素子、光アイソレ
ータ、光ファイバ結合系などとともにモジュール化され
ている。
Further, in order to suppress the end face reflectance to 0.1% or less over a wide wavelength range of 1.35 to 1.55 μm, not only the multi-layer antireflection coating 12 is applied to the entrance / exit surface 11, but also The window structure 13 is adopted, and the active layer stripe 14 is inclined from the direction perpendicular to the cleavage plane. This semiconductor laser amplifier is modularized with a Peltier cooling element, an optical isolator, an optical fiber coupling system and the like.

【0071】活性層ストライプ14は、n型InPバッ
ファ層15、歪量子井戸構造の活性層16、p型InP
クラッド層17及びp側InGaAsPオーミックコン
タクト層18で構成されており、そして、活性層ストラ
イプ14は、p型InP層24、n型InP層25、p
型InGaAsP層26により埋め込まれている。
The active layer stripe 14 comprises an n-type InP buffer layer 15, a strained quantum well structure active layer 16, and a p-type InP.
The active layer stripe 14 includes a p-type InP layer 24, an n-type InP layer 25, and a p-side InGaAsP ohmic contact layer 18.
The InGaAsP layer 26 is embedded.

【0072】P側オーミックコンタクト層18上にはp
側電極20が設けれ、n型InP基板10上にはn側電
極21が設けられている。これらp側電極20,n側電
極21から活性層16にそれぞれ正孔と電子が注入さ
れ、反転分布が生じることにより誘導放出利得が生じ
る。
P on the P-side ohmic contact layer 18
A side electrode 20 is provided, and an n-side electrode 21 is provided on the n-type InP substrate 10. Holes and electrons are injected into the active layer 16 from the p-side electrode 20 and the n-side electrode 21, respectively, and population inversion occurs, so that stimulated emission gain occurs.

【0073】活性層16は、第1の実施例と同様に、厚
さ4nmのIn0.7 Ga0.3 As井戸層22を4層、I
0.53Ga0.23Al0.24As障壁層27で挟んだ量子井
戸構造を有している。In0.53Ga0.23Al0.24As障
壁層27はほぼInPと格子整合し、その禁制帯幅は波
長に換算して約1.1μmに相当する。また、活性層1
6の幅Wは約1μm、井戸層22の合計層厚dは16n
mである。即ち、第1の実施例で説明した式1,式2の
両式を同時に満たしている。
The active layer 16 is composed of four In 0.7 Ga 0.3 As well layers 22 each having a thickness of 4 nm, as in the first embodiment.
It has a quantum well structure sandwiched between n 0.53 Ga 0.23 Al 0.24 As barrier layers 27. The In 0.53 Ga 0.23 Al 0.24 As barrier layer 27 substantially lattice-matches with InP, and its forbidden band width corresponds to about 1.1 μm in terms of wavelength. In addition, the active layer 1
The width W of 6 is about 1 μm, and the total layer thickness d of the well layer 22 is 16 n.
m. That is, both equations 1 and 2 described in the first embodiment are satisfied at the same time.

【0074】図12は、InPに格子整合するInGa
AsP系とInGaAlAs系のバンド不連続の違いを
説明する図である。
FIG. 12 shows InGa lattice-matched to InP.
It is a figure explaining the difference of the band discontinuity of AsP system and InGaAlAs system.

【0075】InGaAsP系では、伝導帯のバンド不
連続ΔEcが禁制帯幅の差ΔEgの約3割なのに対し
て、InGaAlAs系では約7割となる。
In the InGaAsP system, the band discontinuity ΔEc of the conduction band is about 30% of the band gap difference ΔEg, whereas it is about 70% in the InGaAlAs system.

【0076】図13は、In1-x Gax Asy
1-y (波長1.1μm相当の組成)障壁層とIn0.53
0.47As井戸層からなる無歪量子井戸と、In0.525
Ga0.235Al0.24As障壁層と歪In0.70Ga0.30
s井戸層とからなる歪量子井戸の、キャリア注入による
電子の擬フェルミ準位の変化を示す図である。
FIG. 13 shows In 1-x Ga x As y P
1-y (composition equivalent to a wavelength of 1.1 μm) barrier layer and In 0.53 G
a 0.47 As strain-free quantum well consisting of a well layer and In 0.525
Ga 0.235 Al 0.24 As barrier layer and strained In 0.70 Ga 0.30 A
It is a figure which shows the change of the pseudo-Fermi level of the electron by carrier injection of the strained quantum well which consists of an s well layer.

【0077】InGaAlAs/歪InGaAs系の歪
量子井戸は、InGaAsP/無歪InGaAs系の無
歪量子井戸よりも、伝導帯バンドの不連続が大きくなっ
ている。このため、高注入レベルでの電子のオーバーフ
ローが小さく、光増幅素子で使用する高注入レベルで
も、キャリア注入に対する伝導帯の擬フェルミ準位の変
化が大きくなる。この結果、電子のバンド・フィリング
による利得の短波長側へのシフトも大きくなり、広帯域
の光増幅素子が実現できる。
The InGaAlAs / strained InGaAs strained quantum well has a larger discontinuity in the conduction band than the InGaAsP / unstrained InGaAs strained quantum well. Therefore, the overflow of electrons at the high injection level is small, and the change in the pseudo-Fermi level of the conduction band with respect to the carrier injection becomes large even at the high injection level used in the optical amplification element. As a result, the shift of the gain toward the short wavelength side due to the band filling of electrons also becomes large, and a wide-band optical amplification element can be realized.

【0078】ところが、InGaAlAs/歪InGa
As系の歪量子井戸では、価電子帯のバンド不連続が小
さくなる。しかし、後述する圧縮歪の効果により、キャ
リア注入による正孔の擬フェルミ準位の変化をInGa
AsP/無歪InGaAs系の無歪量子井戸のそれとほ
ぼ同程度に保つことができる。
However, InGaAlAs / strained InGa
In an As strained quantum well, band discontinuity in the valence band is reduced. However, due to the effect of compressive strain, which will be described later, the change in the quasi-Fermi level of holes due to carrier injection can be changed by InGa.
It can be maintained at about the same level as that of the AsP / strain-free InGaAs-based strain-free quantum well.

【0079】また、価電子帯側のバンド不連続が小さい
ことにより、井戸への正孔注入が容易になる。このた
め、InGaAlAs/歪InGaAs系の歪量子井戸
では、InGaAs(P)/無歪InGaAsP系の無
歪量子井戸と比較して、正孔に対するバンド障壁が小さ
く、そして、井戸間の正孔分布の不均一も生じ難くなる
ので、飽和出力レベルを高く保つことができる。
Since the band discontinuity on the valence band side is small, holes can be easily injected into the well. Therefore, in the InGaAlAs / strained InGaAs strained quantum well, the band barrier against holes is smaller than in the InGaAs (P) / strained InGaAsP strainless quantum well, and the hole distribution between the wells is small. Since unevenness is less likely to occur, the saturated output level can be kept high.

【0080】InGaAlAs/歪InGaAs系の歪
量子井戸では、歪量子井戸の効果により、価電子帯頂点
付近の状態密度が小さくなる。このため、価電子帯のバ
ンド不連続が小さいにもかかわらず、電流を流してキャ
リア密度を高くしていったときの正孔に対する擬フェル
ミレベルの変化は、InGaAsP/無歪In0.53Ga
0.47As系の無歪量子井戸のそれと同程度となり、同一
注入キャリア密度で比較して広い利得スペクトルが得ら
れる。
In the strained quantum well of InGaAlAs / strained InGaAs system, the density of states near the top of the valence band becomes small due to the effect of the strained quantum well. Therefore, even if the band discontinuity in the valence band is small, the change in the pseudo-Fermi level with respect to the holes when the carrier density is increased by passing a current is InGaAsP / strain-free In 0.53 Ga
It is about the same as that of a 0.47 As-based strain-free quantum well, and a wide gain spectrum can be obtained by comparison with the same injected carrier density.

【0081】また、式1により光閉じ込め係数を小さく
してモード利得の増大を抑えることでも、従来の半導体
光増幅素子と比較してブロードな利得スペクトルを実現
することができる。
Further, by reducing the optical confinement coefficient according to the equation (1) to suppress the increase of the mode gain, it is possible to realize a broad gain spectrum as compared with the conventional semiconductor optical amplifier device.

【0082】また、量子井戸に歪を入れた場合でも、有
効質量の大きい正孔からの寄与のある価電子帯の方が状
態密度が大きく、オーバーフローしやすいのは電子の方
である。したがって、圧縮歪を導入した場合でも、障壁
層にInGaAlAs系の半導体材料を用いた方が、同
じ禁制帯幅を有するInGaAsP系の半導体材料を用
いた場合よりも、伝導帯のバンド・フィリングによる利
得スペクトルの短波長側へのシフトが大きくなる。
Even when the quantum well is strained, the valence band in which the holes with large effective mass contribute to the valence band has a higher density of states, and electrons are more likely to overflow. Therefore, even when compressive strain is introduced, the gain due to the band filling of the conduction band is higher when the InGaAlAs-based semiconductor material is used for the barrier layer than when the InGaAsP-based semiconductor material having the same forbidden band width is used. The shift of the spectrum to the short wavelength side becomes large.

【0083】図14に、本実施例の半導体光増幅素子の
モード利得スペクトルを示す。
FIG. 14 shows the mode gain spectrum of the semiconductor optical amplifier device of this example.

【0084】波長帯域は150nmであり、図6に示し
た従来の半導体光増幅素子と比較して2.5倍以上に改
善されている。また、最大利得は20dB以上、飽和出
力レベルは10dBm以上が実現される。
The wavelength band is 150 nm, which is improved by 2.5 times or more as compared with the conventional semiconductor optical amplifier device shown in FIG. Further, the maximum gain is 20 dB or more and the saturation output level is 10 dBm or more.

【0085】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。例えば、上記実施例では、活性層の半
導体材料として、InGaAs/InGaAsP/In
P系の半導体材料や、InGaAs(P)/InGaA
lAs系の半導体材料を用いた場合について説明した
が、本発明は、他の半導体材料、例えば、各種III −V
族半導体混晶の組合わせた半導体材料や、II−VI族半導
体混晶の組合わせた半導体材料の場合にも適用できる。
また、伸張歪の歪量子井戸を用いた場合、TMモードの
増幅特性を改善することができる。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, the semiconductor material of the active layer is InGaAs / InGaAsP / In
P-based semiconductor materials, InGaAs (P) / InGaA
Although the case of using the 1As-based semiconductor material has been described, the present invention is applicable to other semiconductor materials such as various III-V.
It can also be applied to a semiconductor material in which a group semiconductor mixed crystal is combined and a semiconductor material in which a group II-VI semiconductor mixed crystal is combined.
Further, when a strained quantum well with extension strain is used, the amplification characteristic of the TM mode can be improved.

【0086】また、本発明は、上述した分野の半導体光
増幅素子の他に、外部共振器構成の波長可変レーザ,波
長多重光伝送システム,波長多重光交換システム,波長
多重光演算システム,波長多重光記録システム,多波長
光計測システムなど、さまざまな分野の半導体光増幅素
子にも適用できる。
In addition to the semiconductor optical amplifier device in the above-mentioned field, the present invention also provides a wavelength tunable laser having an external resonator, a wavelength multiplexing optical transmission system, a wavelength multiplexing optical switching system, a wavelength multiplexing optical operation system, a wavelength multiplexing. It can be applied to semiconductor optical amplifiers in various fields such as optical recording systems and multi-wavelength optical measurement systems.

【0087】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施できる。
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

【0088】[0088]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
極めて広い波長範囲の光を増幅できる広帯域高利得の半
導体光増幅素子が実現できる。また、本発明の半導体光
増幅素子を半導体光集積素子や光波長多重システムに応
用すれば、極めて広い波長範囲の光を一括して増幅する
ことができるので、従来と比べて多重度の増大、構成の
簡略化、更には、信頼性の向上や低コスト化も図れる。
As described in detail above, according to the present invention,
It is possible to realize a semiconductor optical amplifier device having a wide band and high gain capable of amplifying light in an extremely wide wavelength range. Further, when the semiconductor optical amplifier device of the present invention is applied to a semiconductor optical integrated device or an optical wavelength multiplexing system, it is possible to collectively amplify light in an extremely wide wavelength range. It is possible to simplify the configuration, improve reliability, and reduce cost.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1の実施例に係る半導体光増幅素子
の一部を切欠して示す斜視図。
FIG. 1 is a perspective view showing a semiconductor optical amplifier device according to a first embodiment of the present invention with a part thereof cut away.

【図2】圧縮歪の有無の違いによる価電子帯構造の変化
を説明するための図。
FIG. 2 is a diagram for explaining changes in the valence band structure due to the presence or absence of compressive strain.

【図3】圧縮歪の有無の違いによるキャリア注入による
価電子帯の擬フェルミ準位の変化を説明するための図。
FIG. 3 is a diagram for explaining a change in quasi-Fermi level of a valence band due to carrier injection due to a difference in presence or absence of compressive strain.

【図4】図1の半導体光増幅素子のTEモードにおける
波長と利得との関係を示す特性図。
4 is a characteristic diagram showing a relationship between a wavelength and a gain in a TE mode of the semiconductor optical amplifier device of FIG.

【図5】本発明の効果を説明するための図。FIG. 5 is a diagram for explaining the effect of the present invention.

【図6】従来の無圧縮歪量子井戸を用いた半導体光増幅
素子のTEモードにおける波長と利得との関係を示す特
性図。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a relationship between a wavelength and a gain in a TE mode of a semiconductor optical amplifier device using a conventional uncompressed strained quantum well.

【図7】図1の半導体光増幅素子の量子井戸数が10の
場合の誘導放出利得スペクトルを示す図。
FIG. 7 is a diagram showing a stimulated emission gain spectrum when the number of quantum wells in the semiconductor optical amplifier device in FIG. 1 is 10.

【図8】本発明の第2の実施例に係る半導体光集積素子
の概略構成を示す模式図。
FIG. 8 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a semiconductor optical integrated device according to a second embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第3の実施例に係る半導体光集積素子
の概略構成を示す模式図。
FIG. 9 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a semiconductor optical integrated device according to a third embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第4の実施例に係るの半導体光集積
素子の概略構成を示す模式図。
FIG. 10 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a semiconductor optical integrated device according to a fourth embodiment of the present invention.

【図11】本発明の第5の実施例に係る半導体光増幅素
子の一部を切欠して示す斜視図。
FIG. 11 is a perspective view showing a semiconductor optical amplifier device according to a fifth embodiment of the present invention with a part thereof cut away.

【図12】InPに格子整合するInGaAsP系とI
nGaAlAs系のバンド不連続の違いを説明するため
の図。
FIG. 12: InGaAsP system lattice-matched to InP and I
The figure for demonstrating the difference of the band discontinuity of nGaAlAs system.

【図13】InGaAsP/無歪InGaAs系とIn
GaAlAs/歪InGaAs系のキャリア注入による
電子の擬フェルミ準位の変化を示す図。
FIG. 13 InGaAsP / strainless InGaAs system and In
The figure which shows the change of the pseudo Fermi level of the electron by carrier injection of GaAlAs / strained InGaAs system.

【図14】図11の半導体光増幅素子の誘導放出利得ス
ペクトルを示す図。
14 is a diagram showing a stimulated emission gain spectrum of the semiconductor optical amplifier device of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…n型InP基板、11…出射面、12…広帯域無
反射コーティング、13…窓構造、14…活性層ストラ
イプ、15…n型InPバッファ層、16…活性層、1
7…p型InPクラッド層、18…p型InGaAsP
側オーミックコンタクト層、19…半絶縁性化された領
域、20…p側電極、21…n側電極、22…In0.7
Ga0.3 As井戸層、23…In1-x Gax Asy
1-y 障壁層、24…p型InP層、25…n型InP
層、26…p型InGaAsP層、27…In0.53Ga
0.23Al0.24As障壁層、60…InP基板、61…発
振波長可変レーザ、62…光スイッチ、63…半導体光
増幅素子、64…量子井戸光導波路、65…無反射コー
ティング、71…半導体レーザ、72…Y型光合波器、
80…InP基板、81…送信用DFBレーザ、82…
導波路結合型pinフォトダイオード、83…集積化光
FDM信号受信器、84…半導体光増幅素子、85…光
合分波器、86…Y分岐、87…出力光モニタ、88…
チューナブル・フィルタ、89…導波路結合型pinフ
ォトダイオード。
10 ... n-type InP substrate, 11 ... Emitting surface, 12 ... Broadband antireflection coating, 13 ... Window structure, 14 ... Active layer stripe, 15 ... N-type InP buffer layer, 16 ... Active layer, 1
7 ... p-type InP clad layer, 18 ... p-type InGaAsP
Side ohmic contact layer, 19 ... Semi-insulating region, 20 ... P-side electrode, 21 ... N-side electrode, 22 ... In 0.7
Ga 0.3 As well layer, 23 ... In 1-x Ga x As y P
1-y barrier layer, 24 ... p-type InP layer, 25 ... n-type InP
Layer, 26 ... p-type InGaAsP layer, 27 ... In 0.53 Ga
0.23 Al 0.24 As barrier layer, 60 ... InP substrate, 61 ... Oscillation wavelength variable laser, 62 ... Optical switch, 63 ... Semiconductor optical amplification element, 64 ... Quantum well optical waveguide, 65 ... Antireflection coating, 71 ... Semiconductor laser, 72 ... Y type optical multiplexer,
80 ... InP substrate, 81 ... DFB laser for transmission, 82 ...
Waveguide coupled pin photodiode, 83 ... Integrated optical FDM signal receiver, 84 ... Semiconductor optical amplifier element, 85 ... Optical multiplexer / demultiplexer, 86 ... Y branch, 87 ... Output light monitor, 88 ...
Tunable filter, 89 ... Waveguide coupled pin photodiode.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体基板上に形成された歪量子井戸構造
の活性層と、 この活性層に電流を注入する手段と、 前記活性層に光を導入するための手段と、 前記活性層で増幅された前記光を取り出すための手段と
を具備してなり、 前記活性層の井戸層の合計層厚をd[nm]、前記活性
層のストライプ幅をW[μm]とした場合に、前記井戸
層の合計層厚及び前記ストライプ幅が、 (d−7)W≦12,(d−40)2 /1000+(W
−1.0)2 /0.8≦1 の2つの不等式を満たすことを特徴とする半導体光増幅
素子。
1. An active layer having a strained quantum well structure formed on a semiconductor substrate, means for injecting current into the active layer, means for introducing light into the active layer, and amplification in the active layer. And a means for extracting the generated light, wherein the well layer of the active layer has a total layer thickness of d [nm] and the stripe width of the active layer is W [μm], the well layer total layer thickness and the stripe width of the layer is, (d-7) W ≦ 12, (d-40) 2/1000 + (W
-1.0) A semiconductor optical amplifier element characterized by satisfying two inequalities of 2 / 0.8≤1.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08236868A (en) * 1995-02-28 1996-09-13 Gijutsu Kenkyu Kumiai Shinjoho Shiyori Kaihatsu Kiko Planar type semiconductor light amplifier element
JP2000049417A (en) * 1998-07-29 2000-02-18 Hitachi Ltd Semiconductor light emitting device semiconductor light emitting apparatus with such device and their manufacture
JP2003078209A (en) * 2001-09-05 2003-03-14 Fujitsu Ltd Optical semiconductor device
JP2007221172A (en) * 1999-06-03 2007-08-30 Fujitsu Ltd Polarization independent semiconductor optical amplifier

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