JPH0831657B2 - Optical amplifier - Google Patents

Optical amplifier

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JPH0831657B2
JPH0831657B2 JP8642488A JP8642488A JPH0831657B2 JP H0831657 B2 JPH0831657 B2 JP H0831657B2 JP 8642488 A JP8642488 A JP 8642488A JP 8642488 A JP8642488 A JP 8642488A JP H0831657 B2 JPH0831657 B2 JP H0831657B2
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雅彦 藤原
研一 西
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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。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a semiconductor laser (LD) type optical amplifier used in fields such as optical communication and optical switching.

(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、他の半導体光デ
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20〜30
dB、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。
(Prior Art) An optical amplifier is an indispensable device for the purpose of long-distance, large-capacity optical communication, large-scale optical switching system, and the like.
As the optical amplifier, one using non-linear scattering in the optical fiber is possible, but the semiconductor laser (LD) type is superior because of its advantages such as small size, high efficiency, and integration with other semiconductor optical devices. LD type optical amplifier has an internal gain of 20-30
The value of dB and the gain between the optical fibers with the optical fiber connected to the input and output ends is about 20 dB. In addition, due to the progress of anti-reflection (AR) coating technology on the end face in recent years, the saturated light output and the gain wavelength band have been greatly expanded, and the device has become close to practical use.

(発明が解決しようとする課題) 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。
(Problems to be Solved by the Invention) However, the conventional LD optical amplifier has a problem that its characteristics greatly depend on the polarization state of incident light. In a normal use state, the polarization state of incident light is not preserved in the long-distance single-mode fiber, and the polarization state of propagating light largely changes due to external temperature, pressure and the like. Therefore, when the LD optical amplifier is inserted in the middle of the SMF, the output light intensity fluctuates greatly unless some polarization control means is used together.

LD光増幅器の特性が入射偏光依存性を持つ原因として
は、次の3つが考えられる。
There are three possible causes for the characteristics of the LD optical amplifier to depend on the incident polarization.

(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)は解決可能ではある。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 Technica
l Digest)B11−2,12−13頁(1986年7月東京)に掲載
された斎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。
(1) Polarization dependence of gain itself (2) Difference of confinement coefficient to active layer due to polarization (3) Polarization dependence of end facet reflectivity In LD optical amplifier of ordinary double hetero (DH) structure, gain itself is not No polarization dependence occurs. Also, due to the isotropic waveguide structure of the active layer and the reduction of facet reflectivity, (2)
(3) can be solved. However, the first Optoelectronics Conference
ics Conference Post-Deadline Papers Technica
l Digest) B11-2, pages 12-13 (Tokyo, July 1986), according to a paper by Saito et al., on both end faces of a buried hetero (BH) structure LD with an isotropic waveguide structure, Reflectance R =
Traveling-wave LD with an extremely good AR coating of 0.04%
Even in optical amplifiers, a gain difference of more than 10 dB is observed between TE and TM polarizations. In other words, it was difficult to reduce the polarization dependence of the characteristics of the LD optical amplifier only by making the waveguide structure isotropic and reducing the facet reflectivity.

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。
One way to solve this problem is to use a combination of polarization controllers. However, it is difficult to realize a small-sized, low-voltage (current) polarization controller with a semiconductor material, so that monolithic integration is difficult, and a complicated optimum control system must be used.

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。
An object of the present invention is to provide an optical amplifier which can be configured monolithically with a semiconductor material, eliminates the above problems, does not require a complicated control system, and has reduced incident polarization dependence of characteristics.

(課題を解決するための手段) 本発明は、量子井戸構造からなり該量子井戸構造の量
子井戸層が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
ギー値より小さい第1の活性層領域と、該第1の活性層
領域と実効的なバンドギャップが略等しく、応力を受け
ないバルク半導体もしくは量子井戸構造からなる第2の
活性層領域と、入出力光信号を結合するための入出射端
面とを有することを特徴とする半導体レーザ型の光増幅
器である。
(Means for Solving the Problem) According to the present invention, a quantum well layer made of a quantum well structure is subjected to in-plane tensile stress due to lattice mismatch, and is light as a sub-band next to the base of the conduction band. A first active layer region having an energy value between the sub-bands of the ground band next to the ground band, which is smaller than an energy value between the sub-bands of the ground band next to the conduction band and the sub band of the heavy hole band; The first active layer region has substantially the same effective band gap as that of the first active layer region and has a second active layer region formed of a bulk semiconductor or a quantum well structure that is not stressed, and an input / output end face for coupling input / output optical signals. It is a semiconductor laser type optical amplifier characterized by the above.

さらに、前記光増幅器において、前記第1の活性層領
域と前記第2の活性層領域が層厚方向に積層されてなる
ことを特徴とする。
Further, the optical amplifier is characterized in that the first active layer region and the second active layer region are laminated in a layer thickness direction.

また、前記光増幅器の前記第1の活性層領域と前記第
2の活性層領域が光学的に縦続接続されていてもよい。
Further, the first active layer region and the second active layer region of the optical amplifier may be optically cascaded.

(作用) 本発明によるLD型光増幅器は活性層の内部に、TMモー
ドをより強く増幅する領域とTMモードをより強く増幅す
る領域を設け、全体として前述の入射偏光依存性を低減
したものである。
(Operation) The LD type optical amplifier according to the present invention is provided with a region for strongly amplifying the TM mode and a region for strongly amplifying the TM mode inside the active layer to reduce the above-mentioned incident polarization dependency as a whole. is there.

前述の通り、LD光増幅器では、TEモードとTMモードに
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、同一キャリア流入時の利得は
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.Phy23,L3
5))。
As described above, in the LD optical amplifier, it is difficult to reduce the incident polarization dependence unless the gains for the TE mode and the TM mode are adjusted. In general, a normal DH laser has no polarization dependence of gain. In a quantum well (QW) laser using a semiconductor quantum well as an active layer, heavy hole subbands and light hole subbands are separated, and the gain when the same carrier flows is the transition between electron-heavy hole subbands. Because TE is the main
It is known that the gain for the mode is larger than that for the TM mode (Yamanishi et al., Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 23, page L35, (M.Yamanishi et al., Jan.J.Appl. Phy 23 , L3
Five)).

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、軸の正孔帯が重の正孔帯のエ
ネルギー的に上に来る事を利用し、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4図(a)に、応
力をうけた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、第4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
体層の膜厚も小さくしてある。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し
くし、キャリア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4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
合の度合いも大きくすれば、問題ではなくなる。
In the present invention, the valence band of a semiconductor subjected to biaxial tensile stress is split, and the fact that the axial hole band is located above the heavy hole band in terms of energy is used to obtain a gain for the TM mode. By mainly using the transition between electron and light hole which is about 4 times larger at the band edge than the gain for TE mode,
The polarization dependence of the gain itself is generated to reduce the polarization dependence of the LD optical amplifier. FIG. 4 (a) shows the energy dependence of the gain of an optical amplifier with a stressed quantum well structure, and FIG. 4 (b) shows the energy dependence of the gain of an optical amplifier with an ordinary quantum well structure. Modes and TM are shown. In particular, in order to prevent the generation of dislocations due to the influence of strain, the thickness of the semiconductor layer which is subjected to strain is made small by using the quantum well structure. In such cases, the subband energies of each ground order of the light and heavy holes are calculated as the level in the potential well formed by the connection of each band edge in the bulk split by strain. Therefore, if the value of biaxial stress is selected so that the magnitude of strain is appropriate, that is, if the degree of lattice mismatch of the quantum well layer is selected, the transition energy between the subbands of electrons and light holes is calculated as follows. -Being smaller than the transition energy between heavy holes, the transition at the time of carrier injection is mainly the transition between subbands of electron-light holes, and the gain of TM mode is increased as shown in Fig. 4 (a). It is possible to Here, according to the quantum size effect, the sub-band energy of the ground hole of the heavy hole is smaller than the sub-band energy of the ground hole of the light hole, which is contrary to the above-mentioned tendency due to the effect of strain. This is not a problem if the thickness of the quantum well layer is increased and the degree of lattice mismatch is increased.

以上述べたような歪超格子構造を用い、歪の大きさを
調整することにより、TE,TM両モード間の利得差をなく
すことは、原理的には可能である。しかし、実際にはT
E,TM両モードの活性層中の閉じ込め係数の偉いに対応し
て、歪の大きさを非常に精密に設定する必要があり、製
作が困難である。しかし、TMモードに対する利得をTEモ
ードに比べ大きくすることは、歪の量をある程度以上に
とればよく、容易に実現できる。
In principle, it is possible to eliminate the gain difference between the TE and TM modes by using the strained superlattice structure as described above and adjusting the magnitude of strain. But actually T
It is necessary to set the magnitude of strain very precisely in response to the great confinement coefficient in the active layer of both E and TM modes, which makes fabrication difficult. However, increasing the gain for the TM mode compared to the TE mode can be easily realized by setting the amount of distortion to some extent or more.

この様なポテンシャルプロファイルの設計は以下の様
に行なえばよい。まず、量子井戸となる半導体Aのバン
ドギャップをEq a、格子定数をao a、弾性定数をC11 a,C12
a、変形ポテンシャルをaa(静水圧項)、ba(せん断応
力項)とし、量子井戸のまわりのバリヤ層となる半導体
Bでは、それぞれ、Eq b,ao b,C11 b,C12 b,ab,bbとする。
これらの層が、格子定数ao sを有する半導体厚膜上に積
層する場合を考える。
The design of such a potential profile may be performed as follows. First, the band gap of the semiconductor A, which is a quantum well, is E q a , the lattice constant is a o a , and the elastic constants are C 11 a and C 12
a, a a (hydrostatic pressure term) the deformation potential, and b a (shear stress term), in the semiconductor B a barrier layer surrounding the quantum well, respectively, E q b, a o b , C 11 b, C Let 12 b , a b , b b .
Consider a case where these layers are stacked on a semiconductor thick film having a lattice constant a o s .

ここで、格子定数の間に、ao a<ao s<ao bの関数が必
要である。さらに、歪の効果によるバンドギャップの変
化を考えるために、半導体Aと半導体Bの間の伝導帯不
連続量をEc、価電子帯不連続量をEVとし、またaa=ac a
+av a、ab=ac b+av b(ac i,av iはそれぞれ伝導帯、価電
子帯に対する変形ポテンシャルの静水圧項)とする。そ
の場合、ポテンシャル量子井戸構造が生じさせるため、 ここで、 の関係が必要である。ここで、(1)式は伝導帯で、
(2)式は軽い正孔帯でポテンシャル量子井戸構造がで
きるための条件である。
Here, a function of a o a <a o s <a o b is required between the lattice constants. Further, in order to consider the change in band gap due to the effect of strain, the conduction band discontinuity amount between the semiconductor A and the semiconductor B is E c , the valence band discontinuity amount is E V, and a a = a c a
+ A v a , a b = a c b + a v b (a c i and a v i are hydrostatic pressure terms of deformation potentials for the conduction band and valence band, respectively). In that case, since the potential quantum well structure is generated, here, Need a relationship. Where equation (1) is the conduction band,
Formula (2) is a condition for forming a potential quantum well structure in a light hole band.

ここで、重い正孔帯に対する価電子帯不連続量は、 であり、Ev hh′<Ev lhの関係が成り立つ。Here, the valence band discontinuity for the heavy hole band is And the relationship of E v hh ′ <E v lh holds.

Ev hh′≦0では、重い正孔による基底次のサブバンド
は、存在しないか、バリヤ層中に生成するため、電子−
重い正孔間の発光再結合は小さく光の増幅に対しては大
きな影響を持たない。この場合、膜厚の設定は自由に行
なえる。
At E v hh ' ≤ 0, the sub-band of the ground order due to the heavy holes does not exist or is generated in the barrier layer, so that the electron −
The radiative recombination between the heavy holes is small and has no significant effect on the amplification of light. In this case, the film thickness can be freely set.

Ev hh′>0では、膜厚の設計により、軽い正孔による
基底次のザブバンドが、重い正孔による基底次のサブバ
ンドのエネルギー的に上に来る様にする必要がある。こ
こで、軽い正孔、重い正孔の基底次の各サブバンドの各
バンド端からのシフト量を、それぞれΔElh,ΔEhhとす
ると、この2つの値の間に次の様な関係が必要となる。
For E v hh ' > 0, it is necessary to design the film thickness so that the sub-band of the ground order due to the light holes is energetically above the sub-band of the ground order due to the heavy holes. Here, if the shift amount from each band edge of each subband of the base of light holes and heavy holes is ΔE lh and ΔE hh , the following relations are required between these two values. Becomes

この条件が満たされれば、軽い正孔による基底次のサ
ブバンドは重い正孔による基底次のサブバンドのエネル
ギー的に上に来るため、求められる条件は満たされる。
ここで、ΔElh,ΔEhhは、有効質量、各層の膜厚から計
算して求める必要がある。
If this condition is satisfied, the sub-band of the ground order due to the light holes is energetically above the sub-band of the ground order due to the heavy holes, so that the required condition is satisfied.
Here, ΔE lh and ΔE hh need to be calculated and calculated from the effective mass and the film thickness of each layer.

以上の様な設計が可能となる材料系としては、 GaAs−InxAl(1-x)yGa(1-x)(1-y)As, InxGa1-xAs−InyAl1-yAs, InxGa1-xAs−InAsyP1-y, InxAs1-xSb−InyAs1-ySb 等の材料系が存在する。As a material system that enables the above design, GaAs−In x Al (1-x) y Ga (1-x) (1-y) As, In x Ga 1-x As−In y Al 1 There are material systems such as -y As, In x Ga 1-x As-InAs y P 1-y , In x As 1-x Sb-In y As 1-y Sb.

本発明はこのことを利用し、活性層の層厚方向若しく
は光軸方向に、TEモードを強く増幅するバルク半導体若
しくは歪のない超格子構造の利得媒質と、TMモードを増
幅すべき歪超格子利得媒質とを導入し、全体としてLD型
光増幅器の入射偏光依存性を低減した。
The present invention utilizes this fact, in the thickness direction of the active layer or in the optical axis direction, a bulk semiconductor that strongly amplifies TE mode or a gain medium having a strain-free superlattice structure, and a strained superlattice for amplifying TM mode. By introducing a gain medium, the polarization dependence of the LD type optical amplifier is reduced as a whole.

(実施例1) 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。第1図(a)は、本発明によるLD型光増幅器の
第1の実施例の斜視図、(b)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。
Example 1 An example of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 (a) is a perspective view of a first embodiment of an LD type optical amplifier according to the present invention, and FIG. 1 (b) is a band diagram of its active layer. Here, the quantum size effect is most prominent.
The case of using a GaAs / (In) AlGaAs material will be described.

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多重量子井戸
(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。
First, the structure of the optical amplifier shown in FIG. 1A will be described together with its manufacturing method. On the n-GaAs substrate 101, an n-Al 0.4 Ga 0.6 As / n-GaAs multiple quantum well (MQW) layer 102 serving as a buffer layer, n-In x (Al 0.4 Ga 0.6 ) (1-x) As ( x is 0
→ Change to 0.1) Clad layer 103, MQW active layer 104, p-In
0.1 Al 0.45 Ga 0.45 As Intermediate layer 105, p-In 0.1 Al 0.36 Ga 0.54 A
s clad layer 106, p-In 0.1 Al 0.1 Ga 0.8 cap layer 107
It grows continuously by the MBE method. Next, using photolithography and chemical etching, stripes of n-GaAs are formed.
Etching is performed to reach the substrate 101. Next, by the LPE method,
This stripe is formed with p-Al 0.38 Ga 0.62 As layer 108 and n-Al.
0.38 Ga 0.62 As embedded by the layer 109. At this time, the intermediate layer 105
Due to the presence of the pn junction, the pn junction position of the buried layers 108 and 109 is automatically determined under the active layer 104. This structure is B
Known as the CM structure, the details of this growth method are described in Proceedings of the 59th General Conference of the Institute of Electronics and Communication Engineers, 1984, No. 1016 (1984).

ここで用いたMQW活性層は、層厚方向に2つの領域104
a,104bからなる。第1図(c)はMQW活性層領域を示す
図である。第1図(c)において第1の領域104aはGaAs
領域井戸層110とIn0.2Ga0.32Al0.48Asバリヤ層111を交
互に3周期積層したものよりなり、各層の膜厚は、各々
150Åと50Åである。GaAs量子井戸層110は、In0.1Al
0.36Ga0.54As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(b)に示すバンド図の様に、軽い正孔帯は重い正孔
帯の約50mV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、キャリア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。
The MQW active layer used here has two regions 104 in the layer thickness direction.
It consists of a and 104b. FIG. 1 (c) is a diagram showing the MQW active layer region. In FIG. 1 (c), the first region 104a is GaAs.
The region well layer 110 and the In 0.2 Ga 0.32 Al 0.48 As barrier layer 111 are alternately laminated for three periods, and the thickness of each layer is
There are 150Å and 50Å. The GaAs quantum well layer 110 is In 0.1 Al
0.36 Ga 0.54 As Due to the lattice mismatch with the cladding layer 103,
It is subject to tensile strain of 0.7% and is therefore the first
As in the band diagram shown in FIG. 2B, the light hole band is above the heavy hole band by about 50 mV in energy. And in that case
The subband 201 of the ground next to the light holes also comes above the subband 202 of the ground next to the energy due to the heavy holes, and the transition at the time of carrier injection is between the electron-light hole subbands Is the main.

一方、MQW活性層の第2の領域104bはIn0.4Ga0.9As量
子井戸層120とIn0.1Al0.36Ga0.54Asバリヤ層121を交互
に3周期積層したものよりなり、各層の膜厚は各々100
Å,50Åである。第2の領域104bを構成する各層はp−I
n0.1Al0.45Ga0.45As中間層105と格子整合がとれており
歪を受けていない。2つの領域104a,104bの実効的なバ
ンドギャップは略等しい。
On the other hand, the second region 104b of the MQW active layer is formed by alternately stacking In 0.4 Ga 0.9 As quantum well layers 120 and In 0.1 Al 0.36 Ga 0.54 As barrier layers 121 for three periods, and the thickness of each layer is 100
It is Å, 50Å. The layers forming the second region 104b are p-I
n 0.1 Al 0.45 Ga 0.45 As It is lattice-matched with the intermediate layer 105 and is not strained. The effective band gaps of the two regions 104a and 104b are substantially equal.

従って活性層の第1の領域104aではTMモードが、第2
の領域104bではTEモードがそれぞれ、より強く増幅され
る。
Therefore, in the first region 104a of the active layer, the TM mode is
In the region 104b, the TE mode is amplified more strongly.

なお、ここではMQW活性層は第1、第2の領域とも3
周期の多重量子井戸構造としたが、単一量子井戸構造で
あってもよい。
Here, the MQW active layer is 3 in both the first and second regions.
Although a multiple quantum well structure with a period is used, a single quantum well structure may be used.

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。
Next, a SiO 2 stripe 112 for current confinement is formed on the p side, and then electrodes 113 and 114 are formed on the n side and the p side, respectively. SiN and AR coating (not shown in FIG. 1) films were respectively formed by plasma CVD on the input and output end faces 115a and 115b formed by cleavage to form a traveling wave LD optical amplifier.

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ート後
の発展しきい値は>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先球ファイバ11
7a,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。
FIG. 2 is a view for explaining the operation of this embodiment, and shows a cross-sectional view of the embodiment shown in FIG. 1 along the optical axis and in a plane perpendicular to the substrate. Figure 2 shows the AR coating film
116a and 116b are shown. In this prototype sample, the development threshold after AR boot was> 100 mA. A spherical fiber 11 for coupling incident light into the active layer 104 and for extracting an optical signal.
7a and 117b are used. When a forward bias is applied between the electrodes 113 and 114, the gain in the active layer is increased and the amplification function is obtained.

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。
In this example, the TE mode and TM mode gains were measured by changing the device length. As a result, when the device length was about 500 μm, the gain difference between the two modes was 1 dB or less, and the incident polarization dependence of the gain was greatly reduced.

(実施例2) 第3図本願の第2の発明の一実施例を示す断面図であ
る。ここでは光軸を含み、活性層に垂直な面での断面図
を示す。以下では簡単のため、プレーナ構造を例にとり
説明する。
(Embodiment 2) FIG. 3 is a sectional view showing an embodiment of the second invention of the present application. Here, a cross-sectional view taken along a plane including the optical axis and perpendicular to the active layer is shown. For simplicity, a planar structure will be described below as an example.

まず第3図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301の上に、バッファ層
となるn−Al0.4Ga0.6As/n−GaAs多重量子井戸(MQW)
層302、n−Inx(Al0.4Ga0.6(1-x)As(xは0→0.1ま
で変化)クラッド層303、MQW活性層304a、p−In0.1Al
0.45Ga0.45As中間層305、p−In0.1Al0.36Ga0.54Asクラ
ッド層306、p−In0.1Al0.1Ga0.8Asキャップ層307をMBE
法により連続成長する。
First, the structure of the optical amplifier shown in FIG. 3 will be described together with its manufacturing method. On the n-GaAs substrate 301, n-Al 0.4 Ga 0.6 As / n-GaAs multiple quantum wells (MQW) to be a buffer layer
Layer 302, n-In x (Al 0.4 Ga 0.6 ) (1-x) As (x changes from 0 to 0.1) cladding layer 303, MQW active layer 304a, p-In 0.1 Al
MBE of 0.45 Ga 0.45 As intermediate layer 305, p-In 0.1 Al 0.36 Ga 0.54 As clad layer 306, p-In 0.1 Al 0.1 Ga 0.8 As cap layer 307
It grows continuously by the method.

次にフォトリソグラフィ法により、n−Inx(Al0.4
0.6(1-x)Asクラッド層303迄エッチングし、その上にM
BE法によりn−Inx(Al0.40.6(1-x)Asクラッド層30
3、MQW活性法304b、p−In0.1Al0.450.65As中間層30
5、p−In0.1Al0.36Ga0.54Asクラッド層p−In0.1Al0.1
Ga0.8Asキャップ層307を選択埋込み成長する。この時MQ
W活性層304a,304bの位置が層厚方向で一致するように、
成長層厚を制御した。
Next, by photolithography, n-In x (Al 0.4 G
0.6 ) (1-x) As clad layer 303 is etched and M is deposited on it.
N-In x (Al 0.4 G 0.6 ) (1-x) As clad layer 30 by BE method
3, MQW activation method 304b, p-In 0.1 Al 0.45 G 0.65 As intermediate layer 30
5, p-In 0.1 Al 0.36 Ga 0.54 As Clad layer p-In 0.1 Al 0.1
A Ga 0.8 As cap layer 307 is selectively embedded and grown. MQ at this time
In order for the positions of the W active layers 304a and 304b to match in the layer thickness direction,
The growth layer thickness was controlled.

ここで用いたMQW活性層は304a、GaAs量子井戸層110と
In0.2Ga0.32Al0.18Asバリヤ層111を交互に3周期積層し
たものよりなり、各層の膜厚は、各々150Åと50Åであ
る。GaAs量子井戸層110は、In0.1Al0.36Ga0.54Asクラッ
ド層303との格子不整合により、約0.7%の大きさの引っ
張り性の歪を受ける。そのため第1図(b)に示すハン
ド図の様に、軽い正孔帯は重い正孔帯の約50mV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、重い正孔による基底次のサブバ
ンド202よりエネルギー的に上に来て、キャリア注入時
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。
The MQW active layer used here is 304a, and the GaAs quantum well layer 110 is
In 0.2 Ga 0.32 Al 0.18 As barrier layers 111 are alternately laminated for three cycles, and the film thickness of each layer is 150Å and 50Å, respectively. The GaAs quantum well layer 110 is subjected to tensile strain of about 0.7% due to lattice mismatch with the In 0.1 Al 0.36 Ga 0.54 As clad layer 303. Therefore, as shown in the hand diagram of FIG. 1 (b), the light hole band is above the heavy hole band by about 50 mV in terms of energy. In that case, the subband 201 of the ground order due to the light holes also comes above the subband 202 of the ground order due to the heavy holes in energy, and the transition at the time of carrier injection is electron-light hole Those between sub-bands are the main ones.

一方、MQW活性層の304bはIn0.1Ga0.9As量子井戸層とI
n0.1Al0.36Ga0.54Asバリヤ層を交互に3周期積層したも
のよりなり、各層の膜厚は各々100Å,50Åである。活性
層304bを構成する各層は格子整合がどれており、歪を受
けていない。活性層304a,304bの実効的なバンドギャッ
プは略等しい。
On the other hand, 304b of the MQW active layer is composed of In 0.1 Ga 0.9 As quantum well layers and I
n 0.1 Al 0.36 Ga 0.54 As A barrier layer is formed by alternately laminating three cycles, and the film thickness of each layer is 100Å and 50Å, respectively. The layers constituting the active layer 304b have a lattice match and are not strained. The effective band gaps of the active layers 304a and 304b are substantially equal.

従って活性層304aではTMモードが、304bではTEモード
がそれぞれ、より強く増幅される。しかも、活性層304
a,304bでTM,TEモードも利得を持つから、その部分で大
きく減衰することはなく、全体的に見ればTE,TMモード
共に増幅されることになる。実施例1と同様のBH構造化
しp側、n側にそれぞれ電極313,314を形成し、へき開
により形成した入出力端面315a,315bにARコート膜316a,
316bを形成し進行波型光増幅器とした。本実施例で素子
長500μm(2つの領域の長さそれぞれ250μm)のサン
プルで内部利得20dBの時のTE,TMモート間の利得差は1dB
以下であった。
Therefore, the TM mode is strongly amplified in the active layer 304a and the TE mode is strongly amplified in 304b. Moreover, the active layer 304
Since TM and TE modes also have gain in a and 304b, there is no large attenuation in that part, and overall, both TE and TM modes are amplified. The same BH structure as in Example 1 is formed, and electrodes 313 and 314 are formed on the p-side and the n-side, respectively, and AR coating films 316a and 315a are formed on the input / output end faces 315a and 315b formed by cleavage.
316b was formed to make a traveling wave type optical amplifier. In this example, when the element length is 500 μm (each of the two regions is 250 μm) and the internal gain is 20 dB, the gain difference between the TE and TM motes is 1 dB.
It was below.

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。
Although the present embodiment has been described using the GaAs / (In) AlGaAs-based material, it is obvious that the present invention can be applied to any material system that can obtain the quantum size effect. The device structure is not limited to the BCM structure shown in the embodiment, and the transverse mode control structure used in a normal LD may be adopted.

(発明の効果) 本発明によれば、利得の入射光偏光依存性の非常に小
さい光増幅器が得られる。
(Effect of the Invention) According to the present invention, it is possible to obtain an optical amplifier whose gain has very little dependency on the polarization of incident light.

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

第1図(a)は本発明の一実施例による光増幅器の斜視
図、同図(b)はその活性層のバンド図、同図(c)は
MQW活性層を示す図であり、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図は本発明の第2の実施
例による光増幅器の断面図である。第4図(a)は歪を
うけた状態の、(b)は従来の量子井戸構造による光増
幅器の、利得のエネルギー依存性を示すグラフである。 図に於て 101,301……基板 102,302……多重量子井戸(MQW)層 103,106,303,306……クラッド層、 104,304a,304b……MQW活性層 105,305……中間層 107,307……キャップ層 108,109……埋め込み層 110……GaAs量子井戸層 111……In0.2Al0.32Al0.48Asバリヤ層 112……SiO2ストライプ 113,114,313,314……電極 115a,115b,313,314……入出力端面 116a,116b,313,314……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。
FIG. 1 (a) is a perspective view of an optical amplifier according to an embodiment of the present invention, FIG. 1 (b) is a band diagram of its active layer, and FIG.
It is a figure which shows a MQW active layer, FIG. 2 is a figure for demonstrating operation | movement of this Example, and FIG. 3 is sectional drawing of the optical amplifier by the 2nd Example of this invention. FIG. 4 (a) is a graph showing the energy dependence of the gain of an optical amplifier having a conventional quantum well structure in a strained state and FIG. 4 (b). In the figure, 101,301 substrate 102,302 multiple quantum well (MQW) layer 103,106,303,306 clad layer, 104,304a, 304b ...... MQW active layer 105,305 …… intermediate layer 107,307 …… cap layer 108,109 …… buried layer 110… … GaAs quantum well layer 111 …… In 0.2 Al 0.32 Al 0.48 As barrier layer 112 …… SiO 2 stripe 113,114,313,314 …… electrode 115a, 115b, 313,314 …… input / output end face 116a, 116b, 313,314 …… AR coating film 117a, 117b …… Spherical fiber 201 …… The subband of the ground order due to light holes 202 …… The subband of the ground order due to the heavy holes.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】量子井戸構造からなり該量子井戸構造の量
子井戸層が格子不整合による面内引っ張り性の応力を受
け、伝導帯に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第1の活性層領域と、該第1の活性
層領域と実効的なバンドギャップが略等しく、応力を受
けないバルク半導体もしくは量子井戸構造からなる第2
の領域活性層領域と、入出力光信号を結合するための入
出射端面とを有することを特徴とする半導体レーザ型の
光増幅器。
1. A quantum well layer having a quantum well structure is subjected to an in-plane tensile stress due to lattice mismatch, and a sub-band of the conduction band and a sub-band of the light hole band A first active layer region having an energy value between subbands smaller than an energy value between the subbands of the conduction band and the heavy hole band is effective. Of a bulk semiconductor or quantum well structure that has substantially the same band gap and is not stressed
2. A semiconductor laser type optical amplifier having an active layer region and an input / output end face for coupling input / output optical signals.
【請求項2】前記第1の活性層領域と前記第2の活性層
領域が層厚方向に積層されてなることを特徴とする請求
項(1)記載の光増幅器。
2. The optical amplifier according to claim 1, wherein the first active layer region and the second active layer region are laminated in a layer thickness direction.
【請求項3】前記第1の活性層領域と前記第2の活性層
領域が光学的に縦続接続されていることを特徴とする請
求項(1)記載の光増幅器。
3. The optical amplifier according to claim 1, wherein the first active layer region and the second active layer region are optically cascaded.
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