JPH11504769A

JPH11504769A - 半導体光増幅器

Info

Publication number: JPH11504769A
Application number: JP9531515A
Authority: JP
Inventors: エムリ，ジヤン−イブ; ゴールドスタン，レオン; ドウシエール，ピエール; バロー，ジヤン
Original assignee: アルカテル・オプトロニク
Priority date: 1996-03-05
Filing date: 1997-03-03
Publication date: 1999-04-27
Also published as: FR2745961B1; DE69703678D1; US5982531A; EP0823982B1; WO1997033353A1; FR2745961A1; EP0823982A1; DE69703678T2

Abstract

(57)【要約】長方形断面を有する能動ストリップ（１２）で構成された光ガイド構造を備える半導体光増幅器。ストリップの材料は等質であり、ストリップに対しては、増幅される光の偏光に対してまったく感受性をもたないように増幅器にとって十分な引っ張り応力が加えられる。前記増幅器は光通信に役立つ。

Description

【発明の詳細な説明】半導体光増幅器本発明は光信号の増幅に関するものである。典型的には、光ファイバ型の通信ネットワークに適用される。これらのネットワークによって伝送される信号は、二進形で伝送される情報を運ぶパルスで構成されている。これらのパルスは、これらのネットワーク中で伝播していく最中にパルスが受ける出力損失を補正するために増幅されなければならない。半導体増幅器は、この増幅を行うために、組み込むことできるとともに、ほとんど場所をとらない手段を構成する。しかしながら、特定の措置を講じない場合には、それらのゲインは、受ける光の偏光に左右されてしまう。これについては、偏光への増幅の感受性を説明することによって、以下で簡単に触れる。この発明はとりわけ、この感受性をなくす、または少なくとも制限することが必要な場合に適用される。こういった場合は頻繁に見られる。たとえば、増幅される光学パルスの伝送距離が、これらのパルスの偏光状態がそれらの伝播中に大規模かつランダムに影響を及ぼされるようなものである一方で、増幅されたパルスがあらかじめ設定された一つまたは複数の出力レベルを示していることが望ましいといった場合である。より一般的には、本発明は、光増幅器の偏光への感受性がゼロまたは制限されなければならないときに適用される。半導体光増幅器は、それぞれ屈折率を有する半導体材料でできた層で構成され、共通の結晶格子を形成するウェハを有することが知られている。機械的応力がない場合には、それぞれこれらの材料で形成されている格子は、これらの材料の各々の格子定数を構成する特徴的な寸法を有する。これらの層は、縦方向及び横方向を構成する二つの水平方向をともない、三直角三面体を形成する垂直方向に沿って連続しており、これらの方向はこのウェハに対して規定されている。このウェハはまた、少なくとも以下の層または層のグループまたは層の一部を備えている。 − 主に、第一の導電型を有する半導体ベース材料で構成されている基板。この基板は、ウェハの結晶格子全体にベース材料の格子定数の寸法を強要するのに十分な厚みを有する。 − 能動材料の中に注入される二つのタイプの電荷キャリアの誘導再結合によって光を増幅させるのに適した能動材料を含む能動層。 − ガイド構造。この構造は、周囲の材料より大きな屈折率を有する少なくとも一つのストリップを有する。この構造はまた、縦方向に沿って前記の光をガイドするためにその縦方向に延びている。このストリップは、横方向及び垂直方向にそれぞれ幅と厚みを有する。 − 最後に、第一の導電型とは反対の第二の導電型を有する材料で構成されている上部封じ込め層（１８）。この増幅器はさらに、ウェハの下面と上面の間に、能動材料の中へ二つのタイプの前記電荷キャリアを注入する電流を通すことができるように、それぞれこれらの下面と上面に形成される下部電極と上部電極を有する。従来の半導体光増幅器のベース材料はIII−Ｖ族型である。典型的には、リン化インジウム及びヒ化ガリウムが使用されている。能動材料は典型的には、同じ化学元素で構成される三元または四元材料である。一般に、光をガイドするストリップの幅は、エッチングによるこのストリップの形成を容易にし、また特に同一の半導体ウェハ上に他の光学部品とともに増幅器を組み込むのを容易にするために約１マイクロメートルとすることが望ましい。このとき厚みは、波長が典型的に１３１０ｎｍまたは１５５０ｎｍである光の単節点のガイドを行うためにこの幅よりはるかに小さくなければならない。特別の措置が取られていない場合には、先述の偏光への感受性を引き起こそうとするのはストリップ断面のこの長方形である。従来のこのような増幅器のさまざまな系列は、これらの増幅器を偏光に対してまったく感受性をもたないようにするためにとられるさまざまな措置によって互いに区別される。従来の第一の系列の増幅器は、「リッジ」と呼ばれるタイプ、すなわち半導体ウェハ上に突起するようにつくられたストリップを備えている。このようなストリップの二つの側面が、このストリップを、屈折率が半導体材料よりもはるかに小さい空気のような気体媒質から隔てているという点を考慮すると、ストリップの高さ調整によって、はっきりとした長方形でありながら、増幅器を偏光にまったく感受性をもたないようにすることができる形状をこのストリップの断面に与えることができる。この第一の系列の増幅器は特に、 S.Pajarola、J.Eckner、P.A.Besse、G.Guekos、D.Syvridisの論文「Temperatu re behaviour of a bulk InGaAsP/InP ridgewaveguide structure for polarisa tion insensitive optical amplifier operation」、Appl．Physics．Lett．65、No．22、pp．2762-2764、1 994に記載されている。この第一の系列の増幅器は、特に、ストリップの高さの必要な調整が行いにくいという欠点を有する。さらに、使用中に能動材料の中で放出される熱が、能動材料が必然的に近くにありストリップを取り巻いている気体媒質の熱伝導率が低いために、排出しにくい点を指摘できる。このようなストリップの高さ調整は、反対に、「埋め込みストリップ型」と呼ばれている第二及び第三の系列の従来の増幅器においては必要ない。これらの増幅器においては、能動材料は、光をガイドするストリップを構成し、至る所で二元半導体材料に取り囲まれている。この二元半導体材料は、熱をよく通すという利点を有するが、その屈折率は、能動材料よりもわずかに低いにすぎない。前記の第二系列の従来の増幅器においては、能動層は「量子井戸型」と呼ばれるタイプである。これは、能動材料が均質でしたがってバルク材料とよばれる場合とは反対である。この第二の系列においては、埋め込まれたストリップの断面ははっきりとした長方形である。このストリップと周囲の二元材料との屈折率の差が小さいことを考慮に入れると、水平方向の偏光の波の封じ込めは、垂直方向の偏光の波の封じ込めより大きくなり、これらの二つの封じ込めの差は、ストリップの厚みに対する幅の比が大きくなればなるほど大きくなる。一つの波に関してここに記されている封じ込めは、横断面において考えられるものである。それは、ストリップが占有するエリアの中を通過するこの波の出力の、波全体の出力に対する比に等しい。封じ込めは、各偏光と各波長について、ストリップの断面の形状と寸法によって、またこのストリップと周囲の材料の屈折率によって規定される。ストリップの断面が長方形である場合には、この封じ込めは、水平方向による指向性封じ込めと垂直方向による指向性封じ込めの積とみなすことができ、これらの二つの指向性封じ込めは各々、偏光に依存する。電荷キャリアの再結合及び誘導放出による波の増幅現象が能動材料の中、すなわちストリップの中でしか行われない点を考慮すると、一つの波についての増幅器のゲインは、この波の封じ込めが大きくなればなるほど大きくなる。その結果、ストリップの材料が等質材料であり、さらに等方的である、つまり偏光に対してまったく感受性をもたなかったとすれば、増幅器のゲインは、水平方向の偏光の波については、垂直方向の偏光の波より大きくなるはずであろう。それゆえ、この第二系列の従来の増幅器においては、ストリップの材料は等質でも等方でもない。まず第一に、ストリップは非等質、つまり複合材料である。なぜなら、垂直方向に沿って、量子井戸と障壁を交互に構成する層の連続によって構成されている構造の形状を有するからである。量子井戸は、能動材料で構成されており、約８ｎｍの厚みを有する。障壁はベース材料で構成され、約１０ｎｍの厚みを有する。この量子井戸型構造は、同じように連続層で構成されてはいるが、そこでは層の厚みがより大きく、たとえば５０ｎｍであるような他の構造とは区別されなければならない。等質材料またはこのような厚い層で構成されている材料は、国際的に「バルク材料」と呼ばれている。ストリップの材料は等方ではない。なぜなら、能動材料の格子定数は、ベース材料の格子定数より小さいからである。したがって、量子井戸は、水平面において二方向の応力を受けることになる。この応力は結果的に、垂直方向の偏光の波についての能動材料のゲインｇＶを、水平方向の偏光の波についての対応ゲインｇＨより大きくする。これらのゲインは線形の、すなわち単位長さ当りのゲインである。これら二つのゲインの差はこの応力とともに増大する。ところで、水平方向の偏光の波または垂直方向の偏光の波についての増幅器の有効な単位長さ当りのゲインＧＨまたはＧＶは、それぞれこの波の封じ込めＣＨまたはＣＶと、この波についてのストリップの材料のゲインｇＨまたはｇＶとの積である。このとき、能動材料の適切な応力の選択によって以下の等式を導きだすことができる。ＣＨ・ｇＨ＝ＣＶ・ｇＶすなわちＧＨ＝ＧＶすなわち、増幅器の偏光に対する不感受性を得ることができる。この第二系列の増幅器は、特に、スペクトル位置がよくないという欠点を有する。すなわち、いいかえれば、応力を加えられている量子井戸型ストリップによって効果的に増幅されることができる光波長が、これらの井戸に加えられる応力がこれらの増幅器を偏光に対してまったく感受性をもたないようにするために十分である時に、光ファイバによる長距離伝送にうまく適応していないという欠点を有する。この第二系列の増幅器は特に、 M.A.Newkirk、B.I.Miller、U.Koren、M.G.Young、M.Chien、R.M．Jopson、C.A ．Burrusの論文「1.5μm Multiquantum-Well Semiconductor Optical Ampli fier with Tensile and Compressively Strained Wells for Polarizati on-independent Gain」、IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS、第４巻、第４号、１９９３年４月号、及び L.F.Tiemeijer、P.A.Thijs、T.van Dongen、R.W.M.Slootweg、J.M.M．van der Heijden、J.J.M．Binsma、M.P.C.M．Krijn の論文「Polarization insensitive multiple quantum well laser amplifiers for the 1300nm window」、Appl．P hys.Lett.62(8)、１９９３年２月２２日号に記載されている。従来通り、能動材料に応力を加えることによって、この材料が量子井戸の形態で使用される場合と同じようにバルク材料の形態で使用される場合にも、垂直方向の偏光の波についてこの材料のゲインｇＶが助長される。それゆえ、このような応力のこの効果によって、おそらく、バルク能動材料での偏光に対する増幅器の不感受性を得ることができる。この目的のために場合によっては有益な構造が提案された。この構造を説明する前に、この目的のためにこのような応力を使用しようとする時に直面する問題を明確にする必要がある。その問題とは、応力がデミキシング、すなわち四元材料の成分の偏析を助長させる恐れがあるという点である。しかしながら、最も重大な問題は、半導体材料の結晶格子中の転位の存在が不可避であることに関連している。この問題は、このような材料に加えられた応力が、その結晶格子の転位の伝播と増幅を引き起こそうとするという点に起因している。このような転位は、特に増幅器のエネルギー効率を損ない、増幅器を使用不能にする恐れさえある。応力の各値及び各材料について、「臨界厚」と呼ばれる層の厚さが存在していることが知られている。この臨界厚を超えると、転位の前端が、材料が使用不能となるように伝播していく。この臨界厚の存在については特に、 J.W.Matthews & A.E.Blakesleeの論文「Defects in epitaxial multilayers」、J．Crystal Growth 27、118(1974)に記載されている。転位に関するこの問題は、上記の第二系列の従来の増幅器をつくりだすことを妨げなかった。なぜなら、量子井戸の厚さは、加えられる応力に対応する臨界厚よりはるかに小さいからである。それゆえ、能動材料の層の厚みが、量子井戸の厚みを超えてしまい、たとえば３０ｎｍより大きくなる場合のために、上述の場合によっては有益な構造では、平均して応力の補正を行うことができる圧縮応力を加えられる半導体の他の材料の層からこのような層が分離される。しかし、このように場合によっては有益は構造は、実質的に転位に関する問題を有効に克服できるものとはみなされない。この理論上の構造については特に、 A.Godefroy、A．Le Corre、F．Clerot、S.Salaun、S.Loualiche、J.C．Simon 、L．Henry、C．Vaudry、J.C．Keromnes、G．Joulie、P. Mamouler の論文「1. 55-μm Polarization-Insensitive Optical Amplifier with Strain-Balanced S uperlattice Active Layer」、IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS、第７巻、１９９５年５月５日号に記載されている。第二系列の従来の増幅器の欠点及び、上記の理論上の構造の使用に関連する従来の問題は、従来の第三系列の増幅器においては解消することができる。この増幅器では、他の構造が使用され、効果的に偏光に対する増幅器の感受性を防ぐことが可能になる。この第三系列の増幅器のストリップは、格子定数がベース材料の格子定数と同じであることから、応力がかからず、その結果等方になるようなバルク型の能動材料によって等質に構成されている。このストリップの断面が正方形またはほぼ正方形である、すなわちその幅がたとえば５００ｎｍであり、たとえば４００ｎｍのその厚さに等しいまたはわずかだけ大きいということから結果的に、偏光に対して少なくともおおよその不感受性が得られる。ここでもまた、ストリップの幅があまりに小さいことに起因する上述の欠点、すなわち、特に同一の半導体ウェハ上に他の光学部品とともに増幅器を組み込むことの難しさが存在する。この第三系列については特に、 F．Doussiere、F．Garabedian、C．Graver、D．Bonnevie、T．Fillion、E．De rouin、M．Monnot、J.G．Provost、D.Leclerc、Associate IEEEN、M．Klenk の論文「1.55μm Polarisation Independent Semiconductor Optical Amplifier w ith 25 dBFiber to Fiber Gain」、IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS、第６巻、１９９４年２月２日号に記載されている。従来のこれら三つの系列の増幅器については、特に L.F．Tiemeijerの「High Performance MQW Laser Amplifiers for Transmissi on Systems Operating in the 1310 nm Window at Bitrates of 10Gbit/s and Beyond」、Proc.21st Eur.Conf.on Opt．Com.（ECOC '95-Brussels）、Ｐ．２５９以下に記載されている。本発明は、上述の欠点を解消することを目的としている。本発明の目的は、できる限り以下の品質を有する半導体光増幅器をつくりだすことができるようにすることにある。 − 製作及び組込みの容易さ − 偏光に対する不感受性 − 良好なスペクトル位置 − 良好なエネルギー効率、または − 大きな出力、あるいはそれらの組合わせこの目的において、本発明は、等質能動材料による半導体光増幅器を対象としているが、この増幅器のガイド構造は、増幅される光のために、この増幅器の半導体層の連続方向に沿った垂直封じ込めよりも大きい横方向に沿った水平封じ込めを得ることができる。この増幅器は、この増幅器のゲインを増幅される前記の光の偏光にまったく感受性をもたないようにするために十分な応力が、その能動材料に加えられていることを特徴とする。この応力は、従来通り、能動材料とベース材料との間の格子定数の不一致の結果生じるものである。典型的には前記の水平封じ込めは、前記垂直封じ込めと、１．０２以上、とりわけ１．０５以上の封じ込め非対称係数との積に等しくなる。ガイド構造は、埋め込まれたあるいは突起するようにつくられたストリップによって構成することができる。典型的には、このストリップの幅は、その厚みの２倍ないし２０倍である。本発明は特に、たとえば、ガイド構造がはっきりとした長方形の断面を持つストリップによって構成されていることから、結果的に高い封じ込め非対称係数が存在するとしても、偏光に対する不感受性を得るためにこのストリップを形成する等質能動材料に加えられる応力は、このストリップの厚みが転位に関する対応臨界厚より小さいままであるには十分に低いことがわかったという事実の結果である。添付の単一の図を参照して以下に、単に例示的なものとして、この発明をどのように実施することができるかを説明する。この単一の図は、本発明によって実施される埋め込みストリップ型増幅器の透視図である。例として示す増幅器は従来通り、それぞれの屈折率を有し、共通の結晶格子を形成するIII−Ｖ族の半導体材料の層で構成されているウェハ２を備えている。それぞれの結晶格子は、応力が存在しない状態でこれらの材料によって形成することができる。このとき、結晶格子はこれらの材料のそれぞれの格子定数を構成する特徴的な寸法を有する。これらの層は、直方向ＤＶに沿って連続して三直角三面体を形成し、二つの水平方向が縦方向ＤＬと横方向ＤＴを構成している。これらの方向は勿論、この増幅器に対して規定されている。これらの層は、ウェハの下面４から上面６への前記垂直方向の上向きにおいて連続層を形成する。この連続層には、少なくとも以下の層、または層グループ、あるいは層の一部が含まれている。 − 第一の導電型を有する二成分半導体ベース材料で主に構成されている基板８。この基板は、前記の共通の結晶格子に対してこのベース材料の格子定数の寸法を強要するのに十分な厚さを有する。 − 二つの側帯１４及び１６の間に前記ストリップ１２を含む能動層１０。このストリップは、少なくとも三成分型能動材料によって等質に構成されている。この材料は能動的と呼ばれる。なぜなら、この材料の中へ注入される二つのタイプの電荷キャリアの誘導再結合によって光を増幅するのに適しているからである。その格子定数の水平寸法は、ベース材料の格子定数より小さい。それらの寸法はこのベース材料に対して、基板がこの層に対して応力を加えるために、典型的には−０.０５％から−０.２０％、できれば−０.１２％から−０.１８％の格子定数の相対的な差を有する。このストリップは、周囲の材料よりも大きい屈折率を有し、縦方向に沿って光をガイドするためにこの縦方向に沿って延びている。ストリップはそれぞれ横方向及び垂直方向の幅と厚みを有する。この幅は、この厚みの２倍ないし２０倍であることが好ましい。幅は典型的には５００ｎｍ以上であり、能動材料の完全な層のエッチングによってストリップの形成を容易にするためには８００ｎｍないし２０００ｎｍであると好都合である。厚みは典型的には、光の単節点のガイドを行うために約１００ｎｍないし４００ｎｍである。さらに、この連続層は、第一の導電型とは反対の第二の導電型を有する材料で構成された上部封じ込め層１８を備えている。増幅器はさらに、ウェハの下面と上面の間に電流を通すことができるようにそれら下面と上面にそれぞれ形成されている下部電極２０と上部電極２２を備えている。基板及び上部封じ込め層からストリップの中に二つのタイプの前記電荷キャリアを注入するのはこの電流である。特定の場合には、増幅器の作動波長が１５５０ｎｍとなる。ベース材料はリン化インジウムＩｎＰ、基板はｎタイプ、能動材料は四元材料であるＩｎ_1-xＧａ_xＰ_1-yＡｓ_y パラメータｘとｙは、格子定数の相対的な差が−０．１５％となるようにそれぞれ０．４５及び０．９３となる。上部封じ込め層は、タイプｐのリン化インジウムで構成されている。ストリップの幅と厚みはそれぞれ１０００ｎｍ及び４００ｎｍである。この増幅器の他の数多くの構造が従来から使用されている、あるいは当業者には自明である。突出リッジストリップ型増幅器の場合には、ベース材料に対する能動材料の格子定数の相対的な差は、典型的に、埋め込みストリップの場合において先に示した二つの値の間となる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ドウシエール，ピエールフランス国、エフ−91180・サン−ジエルマン−レ−ザルパジヨン、レジダンス・ルイ−ババン、４ (72)発明者バロー，ジヤンフランス国、エフ−31290・ガルドウーシユ、アン・フエラン−ドウ−バ（番地なし)

Claims

【特許請求の範囲】１．等質の能動材料による半導体光増幅器であって、この増幅器のガイド構造は、増幅される光について、半導体層の連続方向（ＤＶ）に沿った垂直封じ込め（ＣＶ）よりも大きな横方向（ＤＴ）に沿った水平封じ込め（ＣＨ）を得ることができ、この増幅器は、この増幅器のゲインが増幅される前記光の偏光に対してまったく感受性をもたないようにするために、前記能動材料（１２）に十分な応力を加えられることを特徴とする増幅器。２．前記水平封じ込め（ＣＨ）が、前記垂直封じ込め（ＣＶ）と１．０２より大きい封じ込め非対称係数との積に等しいことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の増幅器。３．前記の封じ込め非対称係数が１．０５より大きい請求の範囲第２項に記載の増幅器。４．前記のガイド構造が、厚みの２倍ないし２０倍であるとともに５００ｎｍより大きい幅を有するストリップ（１２）の形状をもち、このストリップが前記能動材料を構成している請求の範囲第１項に記載の増幅器。５．前記の能動材料が、元素の周期表の二つの列III族およびＶ族に属する少なくとも三つの成分を有し、前記ストリップが、それぞれこれら二つの列に属する二つの成分を有するベース材料で主に構成されている半導体ウェハ（２）中に形成されている請求の範囲第１項に記載の増幅器。６．前記ウェハがこのストリップの前記応力を加えるために、前記能動材料が、ベース材料に対して、−０．０５％ないし−０．２０％の格子定数の相対的な差を有する請求の範囲第５項に記載の増幅器。７．それぞれの屈折率を有し、共通の結晶格子を形成するIII−Ｖ族の半導体材料の層で構成されているウェハ（２）を備えた請求の範囲第１項に記載の増幅器であって、それぞれの結晶格子が、応力が存在せずにこれらの材料によって形成されるとともに、これらの材料のそれぞれの格子定数を構成する特徴的な寸法を有し、これらの層が、垂直方向（ＤＶ）に沿って連続して、三直角三面体を形成し、二つの水平方向が縦方向（ＤＬ）と横方向（ＤＴ）を構成し、これらの方向はこのウェハに関して規定され、これらの層は前記ウェハの下面（４）から上面（６）に向かって前記垂直方向の上向きにおいて連続層を形成し、この連続層は、少なくとも − 第一の導電型を有する二成分型半導体ベース材料で主に構成され、前記の共通の結晶格子にこのベース材料の格子定数の寸法を強要するのに十分な厚みを有する基板（８）と、 − 二つの側帯（１４、１６）の間に前記ストリップ（１２）を含む能動層であって、このストリップが、この材料の中に注入される二つのタイプの電荷キャリアの誘導再結合によって光を増幅するのに適した少なくとも三成分型能動材料によって構成されており、この能動材料の格子定数の水平寸法は、ベース材料の格子定数の水平寸法より小さく、このストリップは周囲の材料より大きい屈折率を有し、前記の縦方向に沿って前記光をガイドするためにこの縦方向に沿って延びており、このストリップはまた、それぞれ横方向及び垂直方向の幅と厚みを有し、幅が厚みの２倍ないし２０倍である能動層（１０）と − 第一の導電型とは反対の第二の導電型を有する材料で構成されている上部封じ込め層（１８）とを構成し、さらにこの増幅器が、前記の基板と前記の上封じ込め層から前記ストリップの中に二つのタイプの前記電荷キャリアを注入する電流を、ウェハの前記下面及び前記上面の間に通すことができるように、ウェハのそれらの下面及び上面にそれぞれ形成される下部電極（２０）と上部電極（２２）を備えている請求の範囲第１項に記載の増幅器。８．前記ストリップの幅が８００ｎｍないし２０００ｎｍであり、厚みが約１００ｎｍないし４００ｎｍである請求の範囲第７項に記載の増幅器。