JPH0831656B2 - 光増幅器 - Google Patents
光増幅器Info
- Publication number
- JPH0831656B2 JPH0831656B2 JP63079474A JP7947488A JPH0831656B2 JP H0831656 B2 JPH0831656 B2 JP H0831656B2 JP 63079474 A JP63079474 A JP 63079474A JP 7947488 A JP7947488 A JP 7947488A JP H0831656 B2 JPH0831656 B2 JP H0831656B2
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- Japan
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- optical amplifier
- semiconductor
- band
- layer
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は光通信、光交換等の分野で使用する半導体レ
ーザ（LD）型光増幅器に関するものである。
ーザ（LD）型光増幅器に関するものである。
（従来の技術） 光増幅器は光通信の長距離、大容量化、光交換システ
ムの大規模化等の目的のために不可欠なデバイスであ
る。光増幅器としては、光ファイバ内の非線形散乱を利
用したものも可能であるが、小型、高効率、他の半導体
デバイスと集積化可能等の利点から半導体レーザ（LD）
型が優れている。LD型光増幅器では内部利得として20〜
30dB、入出力端に光ファイバを接続した状態での光ファ
イバ間利得でも20dB程度の値が得られている。また近年
端面への無反射（AR）コート技術の進歩により、飽和光
出力、利得波長帯域も大幅に拡大され、実用に近いデバ
イスとなってきている。
ムの大規模化等の目的のために不可欠なデバイスであ
る。光増幅器としては、光ファイバ内の非線形散乱を利
用したものも可能であるが、小型、高効率、他の半導体
デバイスと集積化可能等の利点から半導体レーザ（LD）
型が優れている。LD型光増幅器では内部利得として20〜
30dB、入出力端に光ファイバを接続した状態での光ファ
イバ間利得でも20dB程度の値が得られている。また近年
端面への無反射（AR）コート技術の進歩により、飽和光
出力、利得波長帯域も大幅に拡大され、実用に近いデバ
イスとなってきている。
（発明が解決しようとする問題点） しかしながら従来のLD光増幅器ではその特性が入射光
の偏光状態に大きく依存するという問題点があった。通
常の使用状態では、長距離単一モードファイバでは入射
光の偏光状態は保存されず、外部の温度、圧力等により
伝搬光の偏光状態は大きく変化する。従ってLD光増幅器
をSMFの途中に挿入する場合には何らかの偏光制御手段
を併用しないと出力光強度が大きく変動する。
の偏光状態に大きく依存するという問題点があった。通
常の使用状態では、長距離単一モードファイバでは入射
光の偏光状態は保存されず、外部の温度、圧力等により
伝搬光の偏光状態は大きく変化する。従ってLD光増幅器
をSMFの途中に挿入する場合には何らかの偏光制御手段
を併用しないと出力光強度が大きく変動する。
LD光増幅器の特性が入射光依存性を持つ原因として
は、次の３つが考えられる。
は、次の３つが考えられる。
（１）利得自体の偏光依存性 （２）活性層への閉じ込め係数の偏光による違い （３）端面反射率の偏光依存性 通常の二重ヘテロ（DH）構造のLD光増幅器では、利得自
体には偏光依存性は生じない。また活性層の導波構造の
等方化、端面反射率の低減により原理的には（２），
（３）も解決可能ではある。しかし、第１回オプト・エ
レクトロニクス・コンファレンス（First Optoelectron
ics Conference）ポスト・デットライン・ペーパズ・テ
クニカル・ダイジェスト（Post−Deadline Papers Tech
nical Digest）B11−2,12−13頁（1986年７月 東京）
に掲載された斉藤他による論文によれば、導波路構造を
等方化した埋込みヘテロ（BH）構造のLDの両端面に、反
射率Ｒ＝0.04％という極めて良質なARコートを施した進
行波型LD光増幅器に於てもTE,TM両偏光の間で最大10dB
以上の利得差が観測されている。つまり導波路構造の等
方化、端面反射率の低減だけではLD光増幅器の特性の偏
光依存性を低減することは難しかった。
体には偏光依存性は生じない。また活性層の導波構造の
等方化、端面反射率の低減により原理的には（２），
（３）も解決可能ではある。しかし、第１回オプト・エ
レクトロニクス・コンファレンス（First Optoelectron
ics Conference）ポスト・デットライン・ペーパズ・テ
クニカル・ダイジェスト（Post−Deadline Papers Tech
nical Digest）B11−2,12−13頁（1986年７月 東京）
に掲載された斉藤他による論文によれば、導波路構造を
等方化した埋込みヘテロ（BH）構造のLDの両端面に、反
射率Ｒ＝0.04％という極めて良質なARコートを施した進
行波型LD光増幅器に於てもTE,TM両偏光の間で最大10dB
以上の利得差が観測されている。つまり導波路構造の等
方化、端面反射率の低減だけではLD光増幅器の特性の偏
光依存性を低減することは難しかった。
この問題を解決するための一つの方法は、偏光制御器
を組合せて用いることである。しかし半導体材料では小
型、低電圧（流）の偏光制御器を実現することは難しい
ためモノリシック集積化は難しく、また複雑な最適制御
系を用いなければならないという問題があった。
を組合せて用いることである。しかし半導体材料では小
型、低電圧（流）の偏光制御器を実現することは難しい
ためモノリシック集積化は難しく、また複雑な最適制御
系を用いなければならないという問題があった。
本発明の目的はこのような問題点を除き、半導体材料
でモノリシックに構成でき、複雑な制御系が要らず、な
おかつ特性の入射偏光依存性の低減された光増幅器を提
供することにある。
でモノリシックに構成でき、複雑な制御系が要らず、な
おかつ特性の入射偏光依存性の低減された光増幅器を提
供することにある。
（問題点を解決するための手段） 本発明による光増幅器は、半導体材料による活性層
と、入出力光信号を結合するための入出射端面とを有す
る半導体レーザ型の光増幅器において、前記活性層が、
膜厚が電子の平均自由行程程度以下である第１の半導体
と、該膜厚を有し、禁制帯幅が第１の半導体より広い第
２の半導体とより構成される量子井戸構造よりなり、該
第１の半導体は格子不整合による面内引っ張り性の応力
を受け、伝導帯の基底次のサブバンドと軽い正孔帯の基
底次のサブバンド間のエネルギー値が、伝導帯の基底次
のサブバンドと重い正孔帯の基底次のサブバンド間のエ
ネルギー値より小さい事を特徴がある。
と、入出力光信号を結合するための入出射端面とを有す
る半導体レーザ型の光増幅器において、前記活性層が、
膜厚が電子の平均自由行程程度以下である第１の半導体
と、該膜厚を有し、禁制帯幅が第１の半導体より広い第
２の半導体とより構成される量子井戸構造よりなり、該
第１の半導体は格子不整合による面内引っ張り性の応力
を受け、伝導帯の基底次のサブバンドと軽い正孔帯の基
底次のサブバンド間のエネルギー値が、伝導帯の基底次
のサブバンドと重い正孔帯の基底次のサブバンド間のエ
ネルギー値より小さい事を特徴がある。
（作用） 本発明によるLD型光増幅器は、電流注入時の利得を、
TMモードに対するものの方がTEモードに対するものより
大きくし、前述の入射偏光依存性を非常に低減したもの
である。
TMモードに対するものの方がTEモードに対するものより
大きくし、前述の入射偏光依存性を非常に低減したもの
である。
前述の通り、LD光増幅器では、TEモードとTMモートに
対する利得を調整しない限り、入射偏光依存性を低減す
る事は困難である。一般に、通常のDHレーザでは利得の
偏光依存性はない。また、半導体量子井戸を活性層とす
る量子井戸（QW）レーザでは、重い正孔サブバンドと軽
い正孔サブバンドが分離し、同一キャリヤ注入時の利得
は電子−重い正孔の各サブバンド間遷移が主となるた
め、TEモードに対する利得の方がTMモードに対する利得
より大きくなる事が知られている（山西他、ジャパニー
ズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス23巻
L35ページ、（M,Yamanishi etal.,Jan.J.Appl.Phys.23,
L35））。
対する利得を調整しない限り、入射偏光依存性を低減す
る事は困難である。一般に、通常のDHレーザでは利得の
偏光依存性はない。また、半導体量子井戸を活性層とす
る量子井戸（QW）レーザでは、重い正孔サブバンドと軽
い正孔サブバンドが分離し、同一キャリヤ注入時の利得
は電子−重い正孔の各サブバンド間遷移が主となるた
め、TEモードに対する利得の方がTMモードに対する利得
より大きくなる事が知られている（山西他、ジャパニー
ズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス23巻
L35ページ、（M,Yamanishi etal.,Jan.J.Appl.Phys.23,
L35））。
本発明においては、２軸性の引っ張り応力を受ける半
導体の価電子帯は分裂し、軽い正孔帯が正孔帯のエネル
ギー的に上に来る事を利得し、TMモードに対する利得が
TEモードに対する利得よりバンド端において約４倍大き
い電子−軽い正孔間の遷移を主に用いる事により、利得
自体の偏光依存性を生じさせてLD光増幅器の入射偏光依
存性を低減させるものである。第３図（ａ）に、本発明
における光増幅器の利得のエネルギー依存性を、第３図
（ｂ）に通常の量子井戸構造による光増幅器の利得のエ
ネルギー依存性をそれぞれTEモード、TMモードに対して
示す。特に歪の影響による転位の発生を防ぐため、量子
井戸構造を用いて歪を受ける半導体層の膜厚を小さくし
てある。この様な場合、軽い正孔、及び重い正孔の各基
底次のサブバンドエネルギーは、歪によって分裂したバ
ルクでの各バンド端の接続によって形成されるポテンシ
ャル井戸中のレベルとして計算される。従って、歪の大
きさが適当となる様に２軸性応力の値を選べば、つま
り、量子井戸層の格子不整合の度合いを選べば、電子−
軽い正孔の各サブバンド間遷移エネルギーを電子−重い
正孔間の遷移エネルギーより小さくし、キャリヤ注入時
の遷移を電子−軽い正孔の各サブバンド間遷移を主と
し、第３図（ａ）に示す様にTMモードの利得を上昇させ
ることが可能である。ここで、量子サイズ効果によれ
ば、重い正孔の基底次のサブバンドエネルギーは、軽い
正孔の基底次のサブバンドエネルギーより小さくなり、
上記の歪の効果による傾向とは逆となるが、これは量子
井戸層の膜厚を大きめにし、格子不整合の度合いを大き
くすれば、問題ではなくなる。
導体の価電子帯は分裂し、軽い正孔帯が正孔帯のエネル
ギー的に上に来る事を利得し、TMモードに対する利得が
TEモードに対する利得よりバンド端において約４倍大き
い電子−軽い正孔間の遷移を主に用いる事により、利得
自体の偏光依存性を生じさせてLD光増幅器の入射偏光依
存性を低減させるものである。第３図（ａ）に、本発明
における光増幅器の利得のエネルギー依存性を、第３図
（ｂ）に通常の量子井戸構造による光増幅器の利得のエ
ネルギー依存性をそれぞれTEモード、TMモードに対して
示す。特に歪の影響による転位の発生を防ぐため、量子
井戸構造を用いて歪を受ける半導体層の膜厚を小さくし
てある。この様な場合、軽い正孔、及び重い正孔の各基
底次のサブバンドエネルギーは、歪によって分裂したバ
ルクでの各バンド端の接続によって形成されるポテンシ
ャル井戸中のレベルとして計算される。従って、歪の大
きさが適当となる様に２軸性応力の値を選べば、つま
り、量子井戸層の格子不整合の度合いを選べば、電子−
軽い正孔の各サブバンド間遷移エネルギーを電子−重い
正孔間の遷移エネルギーより小さくし、キャリヤ注入時
の遷移を電子−軽い正孔の各サブバンド間遷移を主と
し、第３図（ａ）に示す様にTMモードの利得を上昇させ
ることが可能である。ここで、量子サイズ効果によれ
ば、重い正孔の基底次のサブバンドエネルギーは、軽い
正孔の基底次のサブバンドエネルギーより小さくなり、
上記の歪の効果による傾向とは逆となるが、これは量子
井戸層の膜厚を大きめにし、格子不整合の度合いを大き
くすれば、問題ではなくなる。
（実施例） 以下、図面を用いて本発明による一実施例について説
明する。
明する。
第１図（ａ）は、本実施例により製造するLD型光増幅
器の斜視図（ｂ）はMQW活性層の断面図、（ｃ）はその
活性層のバンド図である。ここでは、量子サイズ効果が
最も顕著に現れるGaAs/（In）AlGaAs系材料を用いた場
合について説明する。
器の斜視図（ｂ）はMQW活性層の断面図、（ｃ）はその
活性層のバンド図である。ここでは、量子サイズ効果が
最も顕著に現れるGaAs/（In）AlGaAs系材料を用いた場
合について説明する。
まず第１図（ａ）に示した光増幅器の構造をその製作
方法とともに説明する。ｎ−GaAs基板101の上に、バッ
ファ層となるｎ−Al0.4Ga0.6As/n−GaAs多層量子井戸
（MQW）層102、ｎ−Inx(Al0.4Ga0.6）(1-x)As（ｘは０
→0.1まで変化）クラッド層103、MQW活性層104、ｐ−In
0.1Al0.45Ga0.45As中間層105、ｐ−In0.1Al0.36Ga0.54A
sクラッド層106、ｐ−In0.1Al0.1Ga0.8キャップ層107を
MBE法により連続成長する。次にフォトリソグラフィ
法、化学エッチングを用いて、ストライプ状にｎ−GaAs
基板101に達するエッチングを行う。次にLPE法により、
このストライプをｐ−Al0.38Ga0.62As層108、ｎ−Al
0.38Ga0.62As層109により埋め込む。この際、中間層105
の存在により、埋め込み層108、109によるｐ−ｎ接合位
置は活性層104の下に自動的に決定される。この構造はB
CM構造として知られており、この成長法の詳細は電子通
信学会昭和59年総合全国大会論文集1016番（1984）に述
べられている。
方法とともに説明する。ｎ−GaAs基板101の上に、バッ
ファ層となるｎ−Al0.4Ga0.6As/n−GaAs多層量子井戸
（MQW）層102、ｎ−Inx(Al0.4Ga0.6）(1-x)As（ｘは０
→0.1まで変化）クラッド層103、MQW活性層104、ｐ−In
0.1Al0.45Ga0.45As中間層105、ｐ−In0.1Al0.36Ga0.54A
sクラッド層106、ｐ−In0.1Al0.1Ga0.8キャップ層107を
MBE法により連続成長する。次にフォトリソグラフィ
法、化学エッチングを用いて、ストライプ状にｎ−GaAs
基板101に達するエッチングを行う。次にLPE法により、
このストライプをｐ−Al0.38Ga0.62As層108、ｎ−Al
0.38Ga0.62As層109により埋め込む。この際、中間層105
の存在により、埋め込み層108、109によるｐ−ｎ接合位
置は活性層104の下に自動的に決定される。この構造はB
CM構造として知られており、この成長法の詳細は電子通
信学会昭和59年総合全国大会論文集1016番（1984）に述
べられている。
ここで用いたMQW活性層104は、第１図（ｂ）に示すよ
うにGaAs量子井戸層110とIn0.2Ga0.32Al0.48Asバリヤ層
111を交互に６周期積層したものよりなり、各層の膜厚
は、各々150Aと50Aである。GaAs量子井戸層110は、In
0.1Al0.36Ga0.54Asクラッド層103との格子不整合によ
り、約0.7％の大きさの引っ張り性の歪を受け、そのた
め、第１図（ｃ）に示すバンド図の様に、軽い正孔帯は
重い正孔帯の約50meVエネルギー的に上に来る。そして
その場合、軽い正孔による基底次のサブバンド201も、
重い正孔により基底次のサブバンド202よりエネルギー
的に上に来て、キャリヤ注入時の遷移としては、電子−
軽い正孔の各サブバンド間のものが主となる。なお、こ
こではMQW活性層104は６周期の多重量子井戸層とした
が、単一量子井戸構造であってもよい。
うにGaAs量子井戸層110とIn0.2Ga0.32Al0.48Asバリヤ層
111を交互に６周期積層したものよりなり、各層の膜厚
は、各々150Aと50Aである。GaAs量子井戸層110は、In
0.1Al0.36Ga0.54Asクラッド層103との格子不整合によ
り、約0.7％の大きさの引っ張り性の歪を受け、そのた
め、第１図（ｃ）に示すバンド図の様に、軽い正孔帯は
重い正孔帯の約50meVエネルギー的に上に来る。そして
その場合、軽い正孔による基底次のサブバンド201も、
重い正孔により基底次のサブバンド202よりエネルギー
的に上に来て、キャリヤ注入時の遷移としては、電子−
軽い正孔の各サブバンド間のものが主となる。なお、こ
こではMQW活性層104は６周期の多重量子井戸層とした
が、単一量子井戸構造であってもよい。
次に、ｐ側に電流狭窄のためのSiO2ストライプ112を
形成した上で、ｎ側、ｐ側にそれぞれ電極113、114を形
成する。へき開により形成した入出力端面115a、115bに
は、それぞれプラズマCVDによりSiN,ARコート（第１図
では図示していない）膜を形成し、進行波型LD光増幅器
とした。
形成した上で、ｎ側、ｐ側にそれぞれ電極113、114を形
成する。へき開により形成した入出力端面115a、115bに
は、それぞれプラズマCVDによりSiN,ARコート（第１図
では図示していない）膜を形成し、進行波型LD光増幅器
とした。
第２図は、本実施例の動作を説明するための図であ
り、第１図に示した実施例の光軸に沿い、かつ基板に垂
直な面での断面図を示している。第２図にはARコート膜
116a、116bを示した。この試作サンプルでは、ARコート
後の発振しきい値は、100mAであった。活性層104に入射
光を結合するためおよび光信号を取り出すため先球ファ
イバ117a、117bを用いている。電極113、114間に順バイ
アスを印加すると、活性層中の利得が上昇し増幅機能が
得られる。
り、第１図に示した実施例の光軸に沿い、かつ基板に垂
直な面での断面図を示している。第２図にはARコート膜
116a、116bを示した。この試作サンプルでは、ARコート
後の発振しきい値は、100mAであった。活性層104に入射
光を結合するためおよび光信号を取り出すため先球ファ
イバ117a、117bを用いている。電極113、114間に順バイ
アスを印加すると、活性層中の利得が上昇し増幅機能が
得られる。
本実施例において、TEモードとTMモードの利得につい
て、デバイスの長さを変化させて測定を行なった。その
結果、デバイス長が約500μｍのもので、２つのモード
間の利得差が1dB以下となり、利得の入射偏光依存性は
非常に低減された。しかも量子井戸構造をとっているた
め注入電流に対するキャリア密度の効率が高く、低電流
で動作可能となる。
て、デバイスの長さを変化させて測定を行なった。その
結果、デバイス長が約500μｍのもので、２つのモード
間の利得差が1dB以下となり、利得の入射偏光依存性は
非常に低減された。しかも量子井戸構造をとっているた
め注入電流に対するキャリア密度の効率が高く、低電流
で動作可能となる。
本実施例ではGaAs/（In）AlGaAs系材料を用いて説明
したが、量子サイズ効果が得られる材料系であれば本発
明が適用可能なのは明らかである。デバイス構造も実施
例で示したBCM構造だけでなく、通常のLDで用いられて
いる横モード制御構造を採用することも全く問題ない。
したが、量子サイズ効果が得られる材料系であれば本発
明が適用可能なのは明らかである。デバイス構造も実施
例で示したBCM構造だけでなく、通常のLDで用いられて
いる横モード制御構造を採用することも全く問題ない。
（発明の効果） 本発明によれば、利得の入射光偏光性の非常に小さい
光増幅器が得られる。
光増幅器が得られる。
第１図（ａ）は本発明の一実施例による光増幅器の斜視
図（ｂ）はMQW活性層104の断面図（ｃ）は活性層のバン
ド図であり、第２図は本実施例の動作を説明するための
図であり、第３図（ａ）は本発明による、（ｂ）は従来
の量子井戸構造による光増幅器の、利得のエネルギーに
依存性を示すグラフである。 図に於いて、 101……基板 102……多重量子井戸（MQW）層 103,106……クラッド層 104……MQW活性層 105……中間層 107……キャップ層 108,109……埋め込み層 110……GaAs量子井戸層 111……In0.2Ga0.32Al0.48Asバリヤ層 112……SiO2ストライプ 113,114……電極 115a,115b……入出力端面 116a,116b……ARコート膜 117a,117b……先球ファイバ 201……軽い正孔による基底次のサブバンド 202……重い正孔による基底次のサブバンド である。
図（ｂ）はMQW活性層104の断面図（ｃ）は活性層のバン
ド図であり、第２図は本実施例の動作を説明するための
図であり、第３図（ａ）は本発明による、（ｂ）は従来
の量子井戸構造による光増幅器の、利得のエネルギーに
依存性を示すグラフである。 図に於いて、 101……基板 102……多重量子井戸（MQW）層 103,106……クラッド層 104……MQW活性層 105……中間層 107……キャップ層 108,109……埋め込み層 110……GaAs量子井戸層 111……In0.2Ga0.32Al0.48Asバリヤ層 112……SiO2ストライプ 113,114……電極 115a,115b……入出力端面 116a,116b……ARコート膜 117a,117b……先球ファイバ 201……軽い正孔による基底次のサブバンド 202……重い正孔による基底次のサブバンド である。
Claims (1)
- 【請求項１】半導体材料による活性層と、入出力光信号
を結合するための入出射端面とを有する半導体レーザ型
の光増幅器において、前記活性層が、膜厚が電子の平均
自由行程程度以下である第１の半導体と、該膜厚を有
し、禁制帯幅が第１の半導体より広い第２の半導体とよ
り構成される量子井戸構造よりなり、該第１の半導体は
格子不整合による面内引っ張り性の応力を受け、伝導帯
の基底次のサブバンドと軽い正孔帯の基底次のサブバン
ド間のエネルギー値が、伝導帯の基底次のサブバンドと
重い正孔帯の基底次のサブバンド間のエネルギー値より
小さい事を特徴とする光増幅器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63079474A JPH0831656B2 (ja) | 1988-03-30 | 1988-03-30 | 光増幅器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63079474A JPH0831656B2 (ja) | 1988-03-30 | 1988-03-30 | 光増幅器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01251685A JPH01251685A (ja) | 1989-10-06 |
| JPH0831656B2 true JPH0831656B2 (ja) | 1996-03-27 |
Family
ID=13690887
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63079474A Expired - Fee Related JPH0831656B2 (ja) | 1988-03-30 | 1988-03-30 | 光増幅器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0831656B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3226061B2 (ja) * | 1993-02-19 | 2001-11-05 | キヤノン株式会社 | 偏光無依存な半導体光増幅器及びそれを用いた光通信システム |
| JP3226070B2 (ja) * | 1993-10-04 | 2001-11-05 | キヤノン株式会社 | 半導体光素子 |
| JPH07297485A (ja) * | 1994-04-28 | 1995-11-10 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ装置，及びその製造方法 |
| JPH118442A (ja) * | 1996-10-07 | 1999-01-12 | Canon Inc | 光半導体デバイス、それを用いた光通信システム及び方法 |
-
1988
- 1988-03-30 JP JP63079474A patent/JPH0831656B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01251685A (ja) | 1989-10-06 |
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