JPH07135372A - 半導体光増幅器およびその製造方法 - Google Patents
半導体光増幅器およびその製造方法Info
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Abstract
器およびその製造方法を提供する。 【構成】活性層4のバンドギャップ波長が光入射側端面
よりも光出射側端面付近において短波長となっているこ
と、あるいはその活性層が多重量子井戸構造からなって
いること、あるいはその活性層が引っ張り歪型の多重量
子井戸構造からなり、光入射端面付近よりも光出射端面
付近において歪量が大きくなっている半導体光増幅器で
ある。
Description
どに用いられる半導体光増幅器およびその製造方法に関
する。
は伝送距離を長くする上で重要な役割を果たす。特に、
近年Erをコアにドープした光ファイバ増幅器の技術が
進み、励起光源の高出力化、高信頼化と相まって実用化
への進展が急ピッチとなっている。一方、半導体光増幅
器は光ファイバ増幅器と比べて小型、低消費電力で、か
つアレイ化が容易であることから、多チャンネル光伝送
系、あるいは光交換における光スイッチの損失補償等の
応用に特に重要である。
に、利得の偏波面依存性が小さく、かつ飽和光出力が高
いことが要求される。通常の埋め込み構造活性層を有す
る半導体光増幅器では、光の進行方向の垂直な断面での
活性層面積が一定であるため、光出射端面付近では光信
号が増幅されて光強度が高くなりそこでのキャリアの消
費が大きくなり、したがって利得の飽和をおこしやすく
なる。
いて、光の信号方向に垂直な断面での活性層面積を光入
射端面から光出射端面に向かって大きくした半導体光増
幅器が提案されている。
1−268084の半導体増幅器においても、光出射端
面側で活性層幅および厚さを大きくすると光のモード断
面積が小さくなることから飽和高出力は小さくなってし
まう。また活性層幅のみを大きくする場合には利得の偏
波面依存性が大きくなってしまう。すなわち利得が高
く、かつ利得の偏波面依存性が小さくて飽和光出力の高
い半導体光増幅器を得ることが困難であった。
得、高飽和光出力でかつ利得の偏波面依存性の小さな半
導体光増幅器およびその製造方法を提供することにあ
る。
器は、半導体基板上に少なくとも活性層が形成され、光
入力側端面および光出力側端面に低反射膜が形成されな
る半導体光増幅器において、活性層のバンドギャップ波
長が光入射側端面よりも光出射側端面付近において短波
長となっていることを特徴とする。
方法は、半導体層上に絶縁体マスクをパターニングする
工程と、前記マスクの領域以外の半導体層上に活性層を
含む半導体多層膜を選択的に形成する工程とを少なくと
も含む半導体光増幅器の製造方法において、前記絶縁体
マスクの幅を光入射端面付近よりも光出射端面付近にお
いて狭く形成する事を特徴とする。
るには、矩形に近い形状の活性層を形成し、TE、TM
モードに対する光閉じ込め係数を等しくすること、ある
いは引っ張り歪型の多重量子井戸活性層を導入すること
が有効である。一方飽和光出力は、通常の均一組性の活
性層の場合には、飽和光出力は(A/a・τ)に比例す
ることが知られており(ここでAは光のモード断面積、
aは微分利得、τはキャリア寿命時間である。)、多重
量子井戸(MQW)活性層を導入して光のモード断面積
を大きくすることが有効である。しかし、光出力飽和の
現象は、光出射側端面付近で光強度が強くなることによ
って、誘導放出によって多くのキャリアが消費され、し
たがってそこでのキャリア密度、すなわち利得が低減す
ることに起因する。その様子を図2(b)に示す。図に
は光入射端面付近、光出射端面付近での利得スペクトル
を示している。端面反射率を十分に低減し、高レベルに
キャリアを注入すると、通常のレーザ発振のしきい値キ
ャリア密度に比べて3〜4倍、すなわち5〜6x1018
cm-3程度の高濃度にキャリアを注入する事ができる。
活性層中を光が増幅されながら進行していくと光出射端
面付近では光入射端面付近に比べてキャリア密度が低減
して、ピーク利得は低くなる。この際、図に示すように
利得ピーク波長は長波長側にシフトするため、信号光波
長での利得はさらに下がる。信号光波長を光入射側端面
付近での利得スペクトルb1の利得ピーク波長よりも長
波長側に設定しておけば光出射端面付近での利得値はあ
まり低減しないものの、素子全体での利得の低下を招い
てしまう。
付近でのバンドギャップ波長を短波長側に設定しておけ
ば、利得スペクトルは図2(a)のようになり、ピーク
利得は若干低下するものの、信号光波長において十分高
い利得を維持し、したがって飽和光出力の高い半導体光
増幅器が期待できる。
し、同時に光出射端面付近での歪量を大きく設定すれ
ば、それによって利得スペクトルがより急峻になること
から、飽和光出力は大幅に向上することが期待される。
このような構造は本願の発明者らが見いだした選択的M
OVPE成長技術を用いることにより容易に形成するこ
とができる。
る。図1(a)は本発明の1実施例である半導体光増幅
器の斜視図であり、図1(b)はその断面図である。図
1(b)を用いて素子作製工程を説明する。まずn−I
nP基板1上にSiO2 絶縁膜マスク2を成膜し、長さ
500μmの1つの半導体光増幅器の内部で幅が6μm
から15μmまで除々に変化し、かつ中央部で幅0.8
μmの間隔となるようにパターニングを行う。そのよう
なマスクを形成した基板上にマスク以外の領域にMOV
PE成長法を用いて選択的にn−InPバッファ層3
(厚さ0.3μm)、中心発光波長1.3μm相当のノ
ンドープInGaAsP活性層4(厚さ0.2μm)、
p−InPクラッド層5(厚さ0.2μm)を順次積層
する。成長層の側面は(111)結晶面となり、側面の
荒れの少ない、清浄な面が形成される。この時の断面形
状は台形状となり、活性層の幅は中央部で約0.4μm
となった。活性層、クラッド層を成長した後、成長した
領域の側部のマスクを両側で幅2μm程度エッチングに
よって除去し、活性層を含みメサ構造を覆うようにp−
InP埋め込み層6(メサ上部で厚さ1μm),発光波
長組成1.2μm相当のp−InGaAsP電極層7
(メサ上部で厚さ0.5μm)を成長する。図において
マスクの外側の領域にも結晶が成長するが、その部分に
はオーミック電極は形成しない。
の広い部分ではInの取り込みが大きくなるため、中央
部に成長するInGaAsP層のバンドギャップ波長が
長くなることが知らされている(例えば特開平4−10
5383)。この実施例においてはマスク幅6μmの領
域とマスク幅15μmの領域でのバンドギャップ波長は
それぞれ1325nm,1350nmであった。
の電極を形成し、素子長500μmに切り出し、両端面
に無反射膜を形成して、所望の半導体光増幅器を得た。
この素子に120mAの電流を注入したところ、信号利
得27dB,偏波による利得差1dB以内と優れた特性
を得た。また飽和光出力は+12dBmが得られ、活性
層のバンドギャップ組成を均一に形成した同様の素子で
の飽和光出力は+8dBmであり、4dBの改善が図ら
れた。
MQW構造を導入した半導体光増幅器を試作した。活性
層として1.38μm組成相当のInGaAsPウェル
層(厚さ8nm)5層、発光波長1.10μm相当のI
nGaAaPバリア層(厚さ6nm)を積層した。この
際、ウェル層は、光入射端面付近では−1.0%の歪
量、光出射端面付近では−1.4%の歪量となるように
成長を行った。この時、バンドギャップ波長はそれぞれ
1320nm,1345nmであった。活性層の幅は
1.5μmとしたが、引っ張り歪MQW活性層ではTM
モードに対する利得がTEモードに対するよりも大き
く、光閉じ込め係数の差を打ち消すため、偏光無依存型
の半導体光増幅器が実現できる。他の素子作製工程は上
述の実施例と同様とした。このような素子で、素子長5
00μmに切り出して特性を評価したところ、信号利得
29dB,偏波による利得差1dB以内で、飽和光出力
+15dBm、雑音指数4.8dBと優れた特性が得ら
れた。
板、InGaAsPを活性層とする材料系を示したが、
用いる材料系はこれに限るものではなく、GaAs系な
ど、他の半導体材料系を用いてなんら差し支えない。さ
らに実施例では活性層としてバルク活性層、および引っ
張り歪MQW活性層の素子を示したが、これらに限るも
のではなく、通常の無歪MQW構造や、圧縮歪MQW構
造を用いてなんら差し支えない。さらに端面反射率低減
のため、ARコート膜を形成したが、半導体で端面を埋
め込む窓端面構造を採用しても良い。
幅器およびその製造方法方によれば、信号光強度が大き
くなる光出射端面付近でのバンドギャップ波長を、光入
射端面付近でのそれに比べて短波長側に設定するため、
大量にキャリアが消費された状態でも信号光波長におい
て高い利得を維持できる。したがって、高利得で、飽和
光出力の高い、高性能な半導体光増幅器およびその製造
方法が得られる。もちろん利得の偏波依存性を十分に低
減することも容易である。
斜視図,(b)はその断面図である。
よび光出射端面付近での利得スペトル、(b)は従来例
の光増幅器の利得スペクトルである。
Claims (4)
- 【請求項1】 半導体基板上に少なくとも活性層が形成
され、光入力側端面および光出力側端面に低反射膜が形
成されなる半導体光増幅器において、活性層のバンドギ
ャップ波長が光入射側端面よりも光出射側端面付近にお
いて短波長となっていることを特徴とする半導体光増幅
器。 - 【請求項2】 前記活性層が多重量子井戸構造からなる
ことを特徴とする請求項1記載の半導体光増幅器。 - 【請求項3】 前記活性層が引っ張り歪型の多重量子井
戸構造からなり、光入射端面付近よりも光出射端面付近
において歪量が大きいことを特徴とする請求項1記載の
半導体光増幅器。 - 【請求項4】 半導体層上に絶縁体マスクをパターニン
グする工程と、前記マスクの領域以外の半導体層上に活
性層を含む半導体多層膜を選択的に形成する工程とを少
なくとも含む半導体光増幅器の製造方法において、前記
絶縁体マスクの幅を光入射端面付近よりも光出射端面付
近において狭く形成する事を特徴とする半導体光増幅器
の製造方法。
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