JPH09288287A - 半導体光増幅素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 十分にスポットサイズが広がる偏波無依存半
導体光増幅器を容易に作製する。 【解決手段】 活性層を歪MQW構造として導波層の厚さ
を薄くし、素子の両端部で導波路幅を細くすることによ
りスポットサイズを広げる。 【効果】 活性層を歪MQW構造にすることにより利得を
偏波無依存化すると同時に、活性層を含む導波路は薄く
することができるため幅を細くすることによりスポット
サイズを広げることができる。厚さが薄いため、厚い導
波路の場合より幅が広くてもスポットサイズは円形に広
がるため微細加工の程度が緩くなり作製が容易になる。
また、スポットサイズが大きくできると端面反射率の低
減も光の伝搬方向を素子端面に垂直な方向から傾むける
簡単な構成による効果が有効になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体光増幅素子に
関し、特に入力光の偏波に無依存な利得が得られ、ま
た、ファイバとの結合損失の小さい半導体光増幅素子に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体光増幅器は光通信、光交換の分野
で重要なデバイスである。一般に光増幅器には、高利
得、高飽和出力、利得の偏波無依存性が要求される。高
利得を得るためには光増幅器とファイバとの結合損失を
低減する必要がある。結合損失を低減するためには光増
幅器のスポットサイズをファイバのスポットサイズまで
広げればよい。また、飽和出力を大きくするためには注
入電流を大きくしキャリア密度を上げてキャリアの緩和
時間を下げることが有効である。しかし、注入電流を大
きくすると単一通過利得が大きくなり、残留反射率によ
る共振効果が出てくるため、信号光の波長が共振ピーク
波長からずれた場合に増幅利得が大きく変化してしまい
問題となる。したがって、残留反射率が注入電流値を制
限することとなり、結果的に端面反射率の低減が飽和出
力向上につながる。偏波無依存化のためのアプローチに
は活性層の断面構造を等方的にしTEモードとTEモードの
閉じ込め係数を等しくする方法と活性層に歪量子井戸構
造を導入して閉じ込め係数を等しくする方法がある。

【０００３】図１に従来の偏波無依存光増幅器の上面図
を示す。この構造はP.Doussiere, P.Garabedian, C.Gra
ver, D.Bonnevie, T.Fillion, E.Derouin, M.Monnot,
J.G.Provost, D.Leclerc および M.Klenk によるモ1.55m
m Polarization Independent Semiconductor Optical A
mplifier with 25dB Fiber to Fiber Gainモ (IEEE Phot
onics technology letters, vol.6, No.2,February 199
4, pp.170-172) に記載されている。活性層はInGaAsP
(バンドギャップ波長 1.56mm) を用い、活性層からなる
導波路１は厚さ0.43mm、幅0.5mmと等法的であり偏波無
依存化を実証している。導波路は幅0.5 mmの導波路部
２、導波路の両端のテーパー部３からなり、素子の両端
は導波路構造がない窓構造部５となっている。

【０００４】導波路１の両端のテーパー部３で導波路幅
を狭めることによりスポットサイズを広げ、結合損失を
低減している。素子両端の窓構造部５は導波路構造を形
成せず光を透過する領域であり、導波光は窓構造部５の
領域でスポットサイズを広げながら伝搬する。端面によ
って反射された光は再びスポットサイズを広げながら導
波路１に向かって伝搬する。反射率は伝搬光と反射光の
重ね合わせ積分により定義されるため反射光のスポット
サイズが広がっていることにより反射率が低減されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来例では偏波無依存
化のため図２に示すようにバルク活性層で形成される導
波路１はの断面形状を等方的にしている。導波路１の幅
はマルチモードとならない寸法にする必要があるため狭
くなる。厚さ方向の制御は結晶成長技術により可能であ
るが、幅はエッチングの技術によるため制御は困難であ
る。この導波路１の幅をさらに狭めてスポットサイズの
拡大をするのは高精度な作製技術が必要であり、作製誤
差が大きくなるため、誤差によるスポットサイズの変動
が大きい問題がある。また、厚さは変化させないため幅
に対して厚く、十分にスポットサイズが広がらない問題
があった。本発明の目的は、十分にスポットサイズが広
がる偏波無依存半導体光増幅器を容易に作製することに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第一に関する光増幅素子は光信号を増幅す
るための活性層を多重量子井戸構造（MQW）とし、 MQW
の少なくとも井戸層に伸張歪みを導入し、該活性層を含
む導波層の幅が素子の両端部で徐々に変化し両端で一定
の幅を持つことを特徴とする。活性層をMQWとすると導
波層はバルク活性層の場合より薄くできるため図３に示
すように同じ導波路幅で比較するとスポットサイズは厚
さの薄いMQWの方が、バルク活性層で断面構造を等方的
にした場合より大きくなり、拡大できるスポットサイズ
も大きくなる。また、バルク活性層の場合より広い導波
路幅で大きいスポットサイズを得ることができるため作
製が容易になる。また、MQWに歪みを導入すると偏波無
依存な増幅利得が得らるため、偏波無依存かつスポット
サイズも大きい光増幅素子が実現できる。

【０００７】第二の発明は第一の発明においてMQW活性
層の厚さを素子の両端部で徐々に変化させることを特徴
とする。厚さの制御は選択成長技術により達成される。
厚さが薄いほど幅の変化量が小さい場合でも大きいスポ
ットサイズの光増幅素子が実現できる。

【０００８】第三の発明は第一の発明または第二の発明
において光の伝搬方向が光増幅素子端面に対して斜めに
伝搬することを特徴とする。導波光が素子端面に対して
10度以下のわずかな傾きをもって伝搬し出射すると伝搬
光と反射光の重なりが小さくなるため端面反射率が押さ
えられる。第一の発明における光増幅素子はスポットサ
イズが広がっているため、この効果が大きい。窓構造は
スポットサイズが大きく広がっている場合には放射角度
が小さくなるため導波路構造が形成されていない領域を
伝搬してもスポットサイズは余り広がらず反射低減に有
効ではない。

【０００９】第四の発明は第一または第二の発明または
第三の発明において少なくとも導波路幅を狭めて一定の
幅をもつ両端の結合部での断面形状がメサ型であること
を特徴とする。導波路幅が細くなるほど図３で示したよ
うにわずかな差でスポットサイズは大きく変動する。断
面形状をメサ型とすると、メサで光モードを閉じ込める
ことができるためスポットサイズの制御が可能となる。

【００１０】

【発明の実施の形態】図４は本発明の第一の実施例に係
る半導体増幅素子の模式的な上面図である。導波路１は
導波路部２とテーパー部３と結合部４からなり、導波路
部２の領域での導波路幅w1がテーパー部３の領域で徐々
に変化し、結合部４では導波路部２の導波路幅より細い
導波路幅w2となる。結合部４でのスポットサイズは結合
させるファイバのスポットサイズと同程度である。導波
路１の厚さが薄く埋め込み型導波路であるため、導波路
幅を細くすることにより光波は縦横比の等しい円状に広
がる。テーパー部３は光波のモードが断熱的に変化でき
る長さが必要であり、入射光の波長の１００倍以上とす
る。素子の両端面は反射率を低減するための無反射膜の
コーティングを施す。

【００１１】図５は導波路部２のA-Aユ部の断面構造図で
ある。導波路１は光信号を増幅するための活性層１１と
ガイド層１２で形成される。活性層１１は例えばInGaAs
Pからなる歪多重量子井戸構造(MQW)である。格子整合形
のMQW構造を活性層に持つ光増幅器の増幅特性はTEモー
ドの方がTMモードより大きくなり、偏波依存性が大き
い。そこで偏波無依存にするために、井戸層に伸張歪を
導入する。伸張歪によりTMモードの利得係数を大きくし
TEモードの利得係数と合わせる。

【００１２】このMQW活性層１１とガイド層１２からな
る導波路１の厚さは0.2〜0.3mmである。導波路１の厚さ
に対し導波路部２の領域での導波路幅w1は1.5mmと広く
することができる。結合部４の領域での導波路幅w2は0.
5 mm程度である。作製は従来のホトリソグラフィによる
マスク形成技術とエッチング技術を用いれば可能であ
り、高度な作製技術を用いる必要はない。導波層１は電
流狭窄層６で埋め込み、その上部はクラッド層７、キャ
ップ層８を配する。電流狭窄層にはp型InPとn型InPの組
み合わせを用いる。また、半絶縁のInPを用いてもよ
い。クラッド層７の厚さは5mm程度である。

【００１３】図６は第二の実施例に関する半導体光増幅
素子の模式的な光の伝搬方向の断面図である。導波路１
は導波路部２の厚さからテーパー部３で徐々に薄くなり
結合部４では導波路部２では一定の厚さとしている。変
化の領域は必ずしも横方向と同じでなくともよい。

【００１４】図７は第三の実施例に関する半導体光増幅
素子の模式的な上面図である。導波路１は素子端面に対
して垂直方向から角度θだけ傾いた方向とする。角度θ
は10度以下でよい。スポットサイズが大きい場合、伝搬
方向を角度θだけ傾けると伝搬光と反射光の重なりは小
さくなるため反射率は低減できる。端面の無反射膜のコ
ーティングと組み合わせて反射率は0.1%以下にする。作
製は導波路１を作製するためのマスクを素子端面に垂直
な方向から傾けて形成すればよいため工程数はかわらな
い。断面構造と導波路１の幅は第一の実施例と同じであ
る。

【００１５】図８、図９は第四の実施例に関する半導体
光増幅器の模式的な斜視図と断面構造図である。この実
施例ではテーパー部３と結合部４の断面形状をメサ型と
している。メサ幅は結合させるファイバのスポットサイ
ズに合わせる。通常のシングルモードファイバと結合さ
せるためには10mm程度とする。作製はメサ幅のマスクを
形成しエッチングにより行う。また、メサ部分を選択成
長により追加して作製することもできる。

【００１６】

【発明の効果】以上述べたごとく本発明によれば、活性
層を歪MQW構造にすることにより偏波無依存の増幅利得
を得るのと同時に、必要な大きさまでスポットサイズを
広げることが高度な作製技術を用いることなく容易にで
きる。スポットサイズが大きく広がるため、光の伝搬方
向を素子端面から傾けることにより反射率の低減が容易
に達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術に係る半導体光増幅素子の模式的な上
面図である。

【図２】従来技術に係る半導体光増幅素子の模式的な断
面図である。

【図３】本発明の原理を説明するための導波路幅とスポ
ットサイズとの関係を示す図である。

【図４】本発明の第一の実施例に係る半導体光増幅素子
の模式的な上面図である。

【図５】本発明の第一の実施例に係る半導体光増幅素子
の模式的な断面図である。

【図６】本発明の第二の実施例に係る半導体光増幅素子
の模式的な光の伝搬方向の断面図である。

【図７】本発明の第三の実施例に係る半導体光増幅素子
の模式的な上面図である。

【図８】本発明の第四の実施例に係る半導体光増幅素子
の模式的な斜視図である。

【図９】本発明の第四の実施例に係る半導体光増幅素子
の模式的な断面図である。

【符号の説明】

1…導波路、2…導波路部、3…テーパー部、4…結合部、
5…窓構造部、6…電流狭窄層、7…クラッド層、8…キャ
ップ層、11…MQW活性層、12…ガイド層。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板上に光信号を増幅するための活
   性層を含む導波路層をもつ光増幅素子において、光信号
   を増幅するための活性層が多重量子井戸構造で形成さ
   れ、多重量子井戸構造の少なくとも井戸層に伸張歪を導
   入し、該活性層を含む導波層の幅が素子の両端部で光の
   入出力端に向かって徐々に変化するテーパー部を持ち、
   両端では導波路が一定の幅である結合部を持つことをこ
   とを特徴とする半導体光増幅素子。
2. 【請求項２】請求項１に記載の光増幅素子において、導
   波層の厚さが素子両端部で光の入出力端に向かって徐々
   に変化するテーパー部を持つことを特徴とする半導体光
   増幅素子。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２に記載の光増幅素
   子において、光の伝搬方向が入出力端面に対して斜めに
   伝搬することを特徴とする半導体光増幅素子。
4. 【請求項４】請求項１、請求項２または請求項３に記載
   の半導体光増幅素子において、少なくとも結合部の断面
   構造がメサ型であることを特徴とする半導体光増幅素
   子。