JPH07106712A - 半導体光素子 - Google Patents
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Abstract
の少なくとも一方が異なる複数の井戸層を備えた、良好
な性能の偏光無依存な半導体光素子である。 【構成】量子井戸構造を活性層4とした半導体レーザ構
造を備える半導体光素子である。量子井戸構造が異なる
量子準位を有する複数の井戸層と面内応力を受けた複数
の障壁層からなる。
Description
半導体光素子に関するものである。
えば、活性層やクラッド層などを含む半導体レーザ構造
を備え、閾値以下のバイアス電流を与えて外部からの入
力光に対して光増幅を行うものを言い、光通信分野など
においては、光ファイバ内やファイバ間での接続の際な
どに生じる光損失を補うデバイスとして開発が進められ
ている。
イバ通信システムなどに用いる場合の問題点の1つとし
て、光増幅率の偏光依存性(異なる偏光モードに対して
増幅率が異なる性質)が挙げられる。一般に、光ファイ
バ内などを伝送されてきた出力光は偏光状態が時間的に
安定ではない。従って、その様な光を偏光依存性のある
上記の如き光増幅器に入力すると、該光増幅器からの出
力光のレベルは一定とはならず時間的に変動してしま
う。よって、受信系に、広いダイナミックレンジが必要
となる等、多大な負担を与えることになり、通信システ
ムないしネットワークの規模を制限する致命的な欠点と
なる。
器を構成する各種の試みがなされている。その内で、活
性層の光学利得の偏光依存性を解消する方法として、歪
量子井戸構造を用いる方法がある。歪量子井戸構造は、
増幅器だけでなく、半導体レーザの分野においては発振
波長の制御や発振閾利得の低減に用いられ、非常に有用
な技術となっている。
光増幅器に利用するには、一般には、TM光の利得をT
E光の利得と等しいか、或は大きくする工夫がなされ
る。即ち、歪の効果により価電子帯の縮退を解いたうえ
で、重い正孔と軽い正孔のバンド構造をそれぞれシフト
させ、伝導帯の電子の基底準位と価電子帯の重い正孔
(HH)の準位間のエネルギーと、伝導帯の電子の基底
準位と価電子帯の軽い正孔(LH)の準位間のエネルギ
ーとをほぼ等しいか、後者を若干小さくする。両者を等
しくするのは、光学利得の他に利得の偏光依存性がない
場合であり、軽い正孔に関するエネルギーを小さくする
のは、光学利得の他に利得の偏光依存性がある場合であ
る。一般に光閉じ込めはTE光の方が大きいため、その
分を考慮してこのような工夫がなされる。
めの歪の与え方としては、幾つかの方法が考えられる。
を与える方法があり、特開平1−251685号に示さ
れている。面内引っ張り応力は、基準となる第1の半導
体層(基板或はクラッド層)に、その半導体層より格子
定数の小さい第2の半導体層を積層させることで第2の
半導体層に与えられる。井戸層に面内引っ張り応力を与
えることで、価電子帯の軽い正孔に対するバンド端がバ
ンドギャップの縮まる方向にシフトし、その結果、軽い
正孔の価電子帯の準位が小さくなり、重い正孔の準位に
近づくために所望の準位が得られる。
る方法があり、特開平4−27183号に示されてい
る。第1の場合と同様に、歪の効果で、障壁層の価電子
帯の軽い正孔に対するバンド端が移動し、その結果、軽
い正孔に対する井戸が浅くなることでエネルギ準位がシ
フトし、所望の準位になる。
(面内引っ張り応力)井戸層と歪のない井戸層の2つの
井戸層を有する活性層とする方法があり、特開平1−2
57386号に示されている。
来の方法には各々問題があった。井戸層に面内引っ張り
応力を与える第1の従来方法では、僅かな歪量で大きな
エネルギシフト量が得られるが、井戸のバンドギャップ
が変わるため、利得の得られる波長が変わってしまうと
いう欠点がある。また、障壁層に面内引っ張り応力を与
える第2の従来方法では、第1の方法とは逆に、利得の
得られる波長は、殆ど変わらない。しかし、所望の効果
を得るためには第1の方法に比べて大きな歪み量を必要
とするという欠点がある。更に、これらの2つの従来法
では、1つの井戸の中のHHとLHの準位を近づけるた
めに、HHとLHのバンドミキシングが起こり、各々の
有効質量が大きく変わっている。これにより、光アンプ
として大きな利得を得る為には、1つの井戸に多数のキ
ャリアを注入する必要が生じ、高注入状態による熱の発
生等により望ましくない特性の劣化も起こりやすい。
る歪のある井戸と歪のない井戸を組み合わせる方法は、
2つの井戸にそれぞれHHとLHの基底準位を設けるた
め、1つの井戸内でのバンドミキシング効果は低減さ
れ、高注入状態での特性の劣化が避けられるという利点
がある。ただし、歪みによる伝導帯のエネルギシフトに
より、LH側の波長をHHの波長と合わせるのは難し
い。
える構成で且つ組成及び井戸幅の少なくとも一方が異な
る複数の井戸層を備えることで、良好な性能の偏光無依
存な半導体光増幅器等の半導体光素子を提供することに
ある。
体光素子では、量子井戸構造を活性層とした半導体レー
ザ構造を備え、量子井戸構造が異なる量子準位を有する
複数の井戸層と面内応力を受けた複数の障壁層とからな
ることを特徴とする。
内応力を受けていたり、複数の異なる井戸層が面内応力
を受けず、構成組成及び井戸幅の少なくとも一方が異な
ったり、複数の異なる井戸層のうち、少なくとも2つの
片方が重い正孔を基底準位として、もう一方が軽い正孔
を基底準位とし、かつ両者の伝導帯の電子の準位へのバ
ンド間遷移がほぼ等しい波長で生じたり、外部からの入
力光に対し利得を与える半導体光増幅器として構成され
ていたりする。
図1は第1実施例を示す全体図、図2は層構成を示す右
半分断面図である。
00)ジャスト基板1の上に、厚さ1μmのn−GaA
sバッファ層2、厚さ1.5μmのn−Al0.5Ga0.5
Asクラッド層3、GRIN−SCHであるノンドープ
歪量子井戸活性層4、厚さ1.5μmのp−Al0.5G
a0.5Asクラッド層5、厚さ0.5μmのp−GaA
sキャップ層6がMOCVD法を用いて順次積層されて
いる。
て、エッチングによりp−Al0.5Ga0.5Asクラッド
層5の途中まで取り除く。更に、窒化シリコンからなる
絶縁層7をいったん全面に形成した後、ストライプ上方
のみを取り除く。更にAu−Crの上部電極8を蒸着
し、基板1底部にAu−Crの下部電極9を蒸着する。
これによりリッジ型レーザ構造が完成する。
μmの長さでへき開し、両側の端面に、ZrO2をエレ
クトロンビーム蒸着法で蒸着し無反射面となるように無
反射コーティング膜10を形成する。
光ファイバ11を接近させ、外部からの信号光が入出力
できるように光ファイバ11を設置した。
ば、進行波型の半導体光増幅器が構成でき、外部信号光
に対し、光ファイバ11間で利得を与えることができ
る。
ともに、本実施例による効果を説明する。活性層4は、
基板1側より、厚さ0.2μmのGRIN−AlxGa
1-xAs層(x=0.5→0.25)12、厚さ12n
mのGaAs0.75P0.25障壁層13、厚さ10nmのA
l0.05Ga0.95As井戸層14(第1の井戸層)、厚さ
12nmのGaAs0.75P0.25障壁層13、厚さ6nm
のGaAs井戸層15(第2の井戸層)、厚さ12nm
のGaAs0.75P0.25障壁層13、厚さ0.2μmのG
RIN−AlxGa1-xAs層(x=0.25→0.5)
12の順で構成されている。本構成では、2つの井戸層
14、15は、基板1との格子整合がはかられており、
2つの井戸層14、15を囲む3つの障壁層13が格子
不整合による歪みをどれも同じだけ受けている。歪みは
2軸引っ張り歪みであり、歪み量は−0.9%である。
発明では障壁層13に歪みをいれたことで、無歪みとは
異なるバンド構造となる。一方の井戸15でHHが、も
う一方の井戸14でLHが基底準位となるようにするた
めには、井戸の組成及び井戸幅を変える必要が生じる。
更に、第1の井戸14の価電子帯のLHと伝導帯の電子
との光学遷移と、第2の井戸15の価電子帯のHHと伝
導帯の電子との光学遷移がほぼ同じ波長で生じるように
することも重要である。これによりTE光の利得とTM
光の利得とが等しくなって、活性層4全体として利得の
偏波無依存化がはかられる。
例では、井戸層の総数が3個あり、ここが第1実施例と
異なっている。基本的な効果は第1実施例と同じであ
る。
のGRIN−AlxGa1-xAs層(x=0.5→0.2
5)12、厚さ12nmのGaAs0.75P0.25障壁層1
3、厚さ15nmのAl0.08Ga0.92As井戸層16、
厚さ12nmのGaAs0.75P0.25障壁層13、厚さ1
0nmのAl0.05Ga0.95As井戸層14、厚さ12n
mのGaAs0.75P0.25障壁層13、厚さ6nmのGa
As井戸層15、厚さ12nmのGaAs0.75P0.25障
壁層13、厚さ0.2μmのGRIN−AlxGa1-xA
s層(x=0.25→0.5)12となっている。
井戸14、15に、更にもう一つの井戸(第3の井戸1
6)を加えた構成になっている。第3の井戸16の効果
を説明する。
々のバンド間遷移の起こる波長はほぼそろえてあり、キ
ャリアが低注入の状態では利得の偏波依存性はなくなっ
ている。しかし、両井戸14、15のHHとLHでは、
有効質量の違いにより、そして基底準位の次の準位の影
響により、高注入状態では偏波依存性が生じてしまう。
もちろん、あらかじめ使用される注入状態を想定し、各
井戸の基底準位をずらしておくことは、有効な解決策で
あるが、その場合にも、低注入域での偏波依存性が生じ
ることは免れない。第3の井戸16は、この欠点を補う
ためのものであり、高注入域での偏波依存性をなくすた
めのものである。即ち、高注入時に不利となるLHでの
光学遷移を補うために、第3の井戸16ではLHの準位
を基底準位としている。低注入時には、2つの井戸1
4、15で、そして高注入時には、3つの井戸14、1
5、16でうまく偏波依存性を解消できるように構成し
ている。これにより、増幅光の波長域も拡大される。
で示したが、本発明はGaAs系材料に限る必要はな
く、InP系や他のIII−V族、II−IV族材料に
おいても有効である。
える構成で、かつ、組成及び井戸幅の異なる複数の井戸
層を備えることで、利得の偏波依存性をなくした半導体
光増幅器等を構成することができる。
図。
図。
図。
Claims (5)
- 【請求項1】 量子井戸構造を活性層とした半導体レー
ザ構造を備える半導体光素子において、該量子井戸構造
が異なる量子準位を有する複数の井戸層と面内応力を受
けた複数の障壁層とからなることを特徴とする半導体光
素子。 - 【請求項2】 該複数の障壁層が一定の面内応力を受け
ていることを特徴とする請求項1記載の半導体光素子。 - 【請求項3】 該複数の異なる井戸層が面内応力を受け
ず、構成組成及び井戸幅の少なくとも一方が異なること
を特徴とする請求項1記載の半導体光素子。 - 【請求項4】 該複数の異なる井戸層のうち、少なくと
も2つの片方が重い正孔を基底準位として、もう一方が
軽い正孔を基底準位とし、かつ両者の伝導帯の電子の準
位へのバンド間遷移がほぼ等しい波長で生じることを特
徴とする請求項1記載の半導体光素子。 - 【請求項5】 外部からの入力光に対し利得を与える半
導体光増幅器として構成されていることを特徴とする請
求項1記載の半導体光素子。
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