JPH08236868A - 面型半導体光増幅素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高利得、広利得帯域および大飽和出力を満たす
面型半導体光増幅素子を提供すること。 【構成】複数の量子井戸からなる量子井戸活性層１１を
有しており、複数の量子井戸のうち少なくとも１つの量
子井戸は他の量子井戸と異なる量子エネルギー準位を有
するとともに、増幅動作波長に対応するエネルギーが複
数の量子井戸の最低の量子エネルギー準位以上かつ最高
の量子エネルギー準位以下に設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、面型半導体光増幅素子
に関する。

【０００２】

【従来の技術】光インターコネクションは高速性、並列
性を有する光を信号伝送に用いることで、従来の配線技
術が直面している問題（例えば、信号遅延）を解決しよ
うとするものである。光インターコネクション用の基本
素子としては、例えば、光源としての半導体レーザ、減
衰した信号光を直接増幅する光増幅器などがある。

【０００３】光増幅器としては、ストライプ型半導体光
増幅素子が知られている。光増幅器は利得帯域が広いこ
とが必要である。この利得帯域は素子構造帯域（光共振
器帯域）と活性層材料の持つ材料利得帯域とによって決
まる。

【０００４】通常の半導体レーザと同等な共振器構造を
有する共振器型のストライプ型半導体光増幅素子の場
合、その利得帯域の半値幅はオングストローム程度と非
常に狭く、入力信号光との波長同調が非常に困難であ
る。このため、共振効果を低減することが重要になり、
現在ではこの共振効果を抑えた進行波型のストライプ型
半導体光増幅素子が主流となっている。

【０００５】進行波型のストライプ型半導体光増幅素子
の場合でも、その波長同調領域を拡大するためには、材
料利得帯域の大きな材料を活性層に用いることが望まし
い。通常、これは単一量子構造の量子井戸活性層を高注
入状態で使用することによりある程度実現している。し
かし、低注入状態における量子井戸活性層の材料利得帯
域はバルク活性層のそれよりも狭いので、その低電力
化、低発熱化には限界がある。

【０００６】また、ストライプ型半導体光増幅素子に
は、大きな入力光に対しても増幅率（利得）が低下せ
ず、一定以上の高増幅率が維持されることが要求され
る。一般的には、入力光の増大に伴ってキャリアが消費
されるので利得は減少する。この利得減少（飽和現象）
の起こり難さは、利得が未飽和時と比較して３ｄＢ減少
する出力（飽和出力パワー）によって表現される。

【０００７】従来のバルク活性層を用いたストライプ型
半導体光増幅素子では、飽和出力パワーを増大させるた
めに、キャリアの高注入状態を用いていた。これは、キ
ャリアの高注入状態では、オージェ効果などによってキ
ャリア寿命が減少し、注入キャリア密度に対する微分利
得が減少する結果、飽和出力が増大するからである。

【０００８】一方、単一量子井戸構造の量子井戸活性層
を用いたストライプ型半導体光増幅素子は、量子井戸活
性層の階段状状態密度を反映して、バルク活性層よりも
飽和出力を増大することができるが、光との結合が非常
に弱い。

【０００９】高注入状態を実現する方法としては、端面
反射率を低減する方法や、光閉じ込め係数を減じる方法
や、素子長を短くする方法などがある。特に、現在は、
高利得を得るために素子長は短くせず、その代わりに、
端面反射率の低減によってこれを実現している。

【００１０】なお、高注入状態で素子長を拡大すると、
特に、バルク活性層を用いた場合には、消費電力や発熱
量が増大する。また、シングルパスでの利得が大きくな
るので、共鳴効果が増長される。このため、端面反射率
（残留反射率）を十分に低減できないと、利得の周波数
特性にリップルが現れ使い勝手が悪くなる。このような
不都合は、歩留まりの低下、使用条件の制限につなが
る。

【００１１】次に、以上の従来のストライプ型光半導体
増素子を踏まえ、最近になって現れた新しい光増幅器で
ある面型半導体光増幅素子について、今後予想される問
題について説明する。

【００１２】面型半導体光増幅素子では、活性層の厚さ
が数μｍオーダーに制限される。このような薄い活性層
で大きな利得を得るには、共振器構造を利用した共振器
型（ファブリペロ型、共鳴型）の面型半導体光増幅素子
が有効である。

【００１３】この場合、共振器を形成する反射ミラーの
反射率を大きくする必要があるが、共振器のＱ値を大き
くすると、利得帯域が狭くなるという問題がある。利得
帯域内に共振波長を設定する必要があるので、利得帯域
は広いことが望ましい。利得帯域を広くするには、共振
器長を短くすれば良いが、この場合、活性層が薄くなっ
た分だけ利得が減少するという問題がある。

【００１４】利得帯域を広くすることは、共振器型の面
型半導体光増幅素子のみならず、進行波型の面型半導体
光増幅素子にとっても、その利得帯域の拡大という意味
で非常に重要なことである。

【００１５】また、面型半導体光増幅素子は、多次元集
積化して用いることが予想されるので、低電力で動作す
ること、つまり、低電力化が要求される。しかし、従来
の活性層材料（バルク活性層）では、高注入時に広い材
料利得帯域を確保することはできるが、低電力化に伴う
低電流注入時に広い材料利得帯域を確保することは困難
であるという問題がある。

【００１６】上述したように、面型半導体光増幅素子の
活性層の厚さは非常に薄い。このため、利得増大のため
に高注入状態で使用することも想定される。共振器型の
面型半導体光増幅素子でも、共振器型のストライプ型光
半導体増幅素子の場合と同様に、高注入状態では、共振
器内部の光強度が増大する。このため、バルク活性層を
用いた従来の共振器型のストライプ型光半導体増幅素子
は、飽和出力が大きく低下するという問題がある。

【００１７】飽和出力の低下は大きなＱ値を必要とする
共振器型の面型半導体光増幅素子にとって、その特性を
左右する重大な問題である。すなわち、温度特性が変化
したり、温度変化および注入レベルの変動に伴って利得
スペクトルが変化（利得ピークの大きさおよび波長の変
化）するという問題がある。

【００１８】また、単一量子井戸構造の量子井戸活性層
を用いた場合には、飽和出力は比較的大きいが、利得部
の厚さが薄いため、十分大きな利得を得ることは難しく
なると思われる。したがって、特にパワーを必要とする
場合には飽和出力の増大（拡大）が重要である。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来の面
型光半導体増幅素子は、利得の増大を図ろうとすると、
利得帯域が狭くなり、また、利得帯域の拡大を図ろうと
する、利得が減少するとう問題があった。さらに、利得
増大のために高注入状態で使用すると、飽和出力が大き
く低下するという問題があった。

【００２０】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、高利得、広利得帯域お
よび大飽和出力を同時に実現可能な面型光半導体増幅素
子を提供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明に係る面型半導体光増幅素子は、活性層が
複数の量子井戸からなり、前記複数の量子井戸のうち少
なくとも１つの量子井戸は他の量子井戸と異なる量子エ
ネルギー準位を有するとともに、増幅動作波長に対応す
るエネルギーが前記複数の量子井戸の最低の量子エネル
ギー準位以上かつ前記複数の量子井戸の最高の量子エネ
ルギー準位以下に設定されていることを特徴とする。

【００２２】ここで、異なる量子準位エネルギーを持つ
量子井戸は、量子井戸層の組成や、量子バリア層の組成
を変えたり、量子井戸層の幅、量子井戸層の深さを変え
ることによって得られる。

【００２３】

【作用】量子井戸はバルクと比べて利得係数が大きい
（特に低注入時）。また、増幅動作波長（入力光波長）
に対応するエネルギーを複数の量子井戸の最低の量子エ
ネルギー準位以上かつ複数の量子井戸の最高の量子エネ
ルギー準位以下に設定すれば、隣り合った利得スペクト
ルからの寄与により低注入状態でも利得はそれほど減少
しない。したがって、本発明に係る面型半導体光増幅素
子は、従来のバルク活性層を用いた面型半導体光増幅素
子よりも、高い利得が得られ、しかも、低電力化が容易
である。

【００２４】異なる量子準位エネルギーを持つ量子井戸
はそれぞれ異なる利得ピーク波長を持つ。したがって、
本発明に係る面型半導体光増幅素子にように、活性層を
構成する複数の量子井戸のうち少なくとも１つの量子井
戸が他の量子井戸と異なる量子エネルギー準位を持って
いれば、活性層のトータルな利得帯域は、異なる量子エ
ネルギー準位の量子井戸の各利得帯域の重ね合わせとな
るので、広いものとなる。

【００２５】量子井戸は階段状の状態密度分布を有して
いるため、利得の周波数特性に平坦部ができ、注入電流
が増大しても、利得の低下が起き難い。したがって、本
発明に係る面型半導体光増幅素子は、バルク活性層を用
いた従来の面型半導体光増幅素子よりも、高注入状態に
おける飽和出力の増大（拡大）を容易に実現できるよう
になる。

【００２６】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。 （第１の実施例）図１は、本発明の第１の実施例に係る
共振器型の面型半導体光増幅素子の構造を示す断面図で
ある。

【００２７】図中、１４はｎ型ＧａＡｓ基板を示してお
り、このｎ型ＧａＡｓ基板１４上にはｎ型ＧａＡｓバッ
ファ層１５を介してｎ型ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓＤＢＲ
共振器１６が設けられている。

【００２８】このｎ型ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓＤＢＲ共
振器１６上にはｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１２、Ｉｎ
ＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸活性層１１、ｐ型ＡｌＧａ
Ａｓクラッド層１３が順次設けられている。

【００２９】このＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸活性
層１１は複数のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸により
構成され、少なくとも１つのＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量
子井戸は他のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸と異なる
量子エネルギー準位を持っている。

【００３０】異なる量子準位エネルギーを持つＩｎＧａ
Ａｓ／ＧａＡｓ量子井戸は、ＧａＡｓ量子井戸層の組成
や、ＩｎＧａＡｓ量子バリア層の組成を変えたり、Ｇａ
Ａｓ量子井戸層の幅、ＧａＡｓ量子井戸層の深さを変え
ることによって得られる。

【００３１】なお、各ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸
の量子エネルギー準位は１つでも良いし、複数でも良
い。また、増幅動作波長に対応するエネルギーは複数の
ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸の最低の量子エネルギ
ー準位以上かつ複数のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸
の最高の量子エネルギー準位以下に設定されている。

【００３２】また、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸活
性層１１はｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１２、ｐ型Ａｌ
ＧａＡｓクラッド層１３とともにダブルヘテロ構造を形
成している。

【００３３】ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１３上にはｐ
型ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓＤＢＲ共振器１７が設けられ
ており、このｐ型ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓＤＢＲ共振器
１７にはｐ側電極１８が設けられている。また、ｎ型Ｇ
ａＡｓ基板１４にはｎ側電極１９が設けられている。

【００３４】なお、本実施例の場合、発光素子である面
型半導体レーザと異なり、発振することを必要としな
い。このように構成された共振器型の面型半導体光増幅
素子によれば以下のような効果が得られる。

【００３５】量子井戸はバルクと比べて利得係数が大き
い（特に低注入時）。また、本実施例の場合、増幅動作
波長に対応するエネルギーは複数のＩｎＧａＡｓ／Ｇａ
Ａｓ量子井戸の最低の量子エネルギー準位以上かつ複数
のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸の最高の量子エネル
ギー準位以下に設定されているので、隣り合った利得ス
ペクトルからの寄与により低注入状態でも利得はそれほ
ど減少しない。

【００３６】したがって、本実施例の共振器型の面型半
導体光増幅素子は、バルク活性層を用いた従来の共振器
型の面型半導体光増幅素子よりも、高い利得が得られ
る。さらに、低電力化が容易に行なえるので、多次元集
積化が可能となる。

【００３７】また、異なる量子準位エネルギーを持つ量
子井戸はそれぞれ異なる利得ピーク波長を持つ。したが
って、本実施例の共振器型の面型半導体光増幅素子のよ
うに、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸活性層１１を構
成する複数の量子井戸のうち少なくとも１つの量子井戸
が他の量子井戸と異なる量子エネルギー準位を持ってい
れば、例えば、量子井戸が３つの場合であれば、図４に
示すように、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸活性層１
１のトータルな利得帯域１は、３つの量子井戸の利得帯
域２の重ね合わせとなるので、広いものとなる。

【００３８】また、量子井戸は階段状の状態密度分布を
有しており、このため、利得の周波数特性に平坦部がで
き、注入電流が増大しても、利得の低下が起き難い。し
たがって、本実施例の共振器型の面型半導体光増幅素子
は、従来のバルク活性層を用いた面型半導体光増幅素子
よりも、高注入状態における飽和出力の増大（拡大）を
容易に実現できるようになる。 （第２の実施例）図２は、本発明の第２の実施例に係る
共振器型の面型半導体光増幅素子の構造を示す断面図で
ある。

【００３９】なお、以下の図において、図１の共振器型
の面型半導体光増幅素子と対応する部分には図１と同一
符号を付してあり、詳細な説明は省略する。本実施例の
共振器型の面型半導体光増幅素子が第１の実施例のそれ
と異なる点は、ｐ型ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓＤＢＲ共振
器１７の代わりに、誘電体多層膜ミラー２２を用いたこ
とにある。

【００４０】すなわち、本実施例の共振器型の面型半導
体光増幅素子は、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１３上
に、ＧａＡｓコンタクト層２１を介して誘電体多層膜ミ
ラー２２が設けられた構成になっている。

【００４１】このように構成された共振器型の面型半導
体光増幅素子でも、第１の実施例と同様な効果が得られ
るのはもちろんのこと、以下のような効果が得られる。
すなわち、誘電体多層膜ミラーはＤＢＲ共振器よりも反
射率の高い波長帯域が広いので、誘電体多層膜ミラーは
ＤＢＲ共振器よりも設計や作成が容易であり、これによ
り、プロセスマージンが拡大するという効果が得られ
る。 （第３の実施例）図３は、本発明の第３の実施例に係る
進行波器型の面型半導体光増幅素子の構造を示す断面図
である。

【００４２】本実施例の進行波器型の面型半導体光増幅
素子が第１の実施例の共振器型の面型半導体光増幅素子
と異なる点は、ｎ型ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓＤＢＲ共振
器１６、ｐ型ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓＤＢＲ共振器１７
の代わりに、それぞれ、下部誘電体多層膜ＡＲコート３
２、上部誘電体多層膜ＡＲコート３３を用いたことにあ
る。

【００４３】すなわち、本実施例の進行波器型の半導体
光増幅素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板１４にｎ型ＧａＡｓバ
ッファ層１５に達する開口部が形成され、この開口部に
より露出したｎ型ＧａＡｓバッファ層１５の表面には下
部誘電体多層膜ＡＲコート３２が設けられ、一方、ｐ型
ＡｌＧａＡｓクラッド層１３上にはＧａＡｓコンタクト
層３１を介して上部誘電体多層膜ＡＲコート３３が設け
られた構成になっている。

【００４４】このように構成された進行波器型の面型半
導体光増幅素子でも、第１の実施例と同様な効果が得ら
れるのはもちろんのこと、以下のような効果が得られ
る。すなわち、本実施例の面型半導体光増幅素子は進行
波器型であるので、面倒な共振器の設計が不要になる。
したがって、共振器に係る問題（例えば、共振器の構造
不良や組成不良）に起因する信頼性および歩留まりの低
下は原理的に起こらない。

【００４５】また、素子全体の信号利得帯域は共振器帯
域と材料利得帯域との積で決まるが、本実施例の場合、
共振器がないので共振器帯域に起因する帯域狭化がな
く、容易に広い利得帯域が得られる。

【００４６】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば、上記実施例では、素子を構成
する材料としてＡｌＧａＡｓ系の半導体を用いた場合に
ついて説明したが、他の材料、例えば、 III-V族半導
体、 II-VI族半導体またはこれらの組み合わせを用いて
も良い。

【００４７】また、第２の実施例では、上側に誘電体多
層膜ミラーを設けたが、その代わりに、下側に誘電体多
層膜ミラーを設けても良い。この場合、誘電体多層膜ミ
ラーは、図３の面型半導体光増幅素子のように、ｎ型Ｇ
ａＡｓ基板１４に開口部を設け、この開口部により露出
したｎ型ＧａＡｓバッファ層１５の表面に設けられる。
さらにまた、上側および下側の両側に誘電体多層膜ミラ
ーを設けても良い。その他、本発明の要旨を逸脱しない
範囲で、種々変形して実施できる。

【００４８】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、活
性層に複数の量子井戸を用い、これら量子井戸のうち少
なくとも１つの量子井戸は他の量子井戸と異なる量子エ
ネルギー準位とし、さらに、増幅動作波長に対応するエ
ネルギーを複数の量子井戸の最低の量子エネルギー準位
以上かつ最高の量子エネルギー準位以下に設定すること
により、高利得、広利得帯域および大飽和出力を満たす
面型半導体光増幅素子を実現できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る共振器型の面型半
導体光増幅素子の構造を示す断面

【図２】本発明の第２の実施例に係る共振器型の面型半
導体光増幅素子の構造を示す断面図

【図３】本発明の第３の実施例に係る進行波器型の半導
体光増幅素子の構造を示す断面図

【図４】本発明の効果を説明するための波長と利得との
関係を示す特性図

【符号の説明】

１…全ての量子井戸を組み合わせた利得帯域 ２…個々の量子井戸の利得帯域 １１…ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸活性層 １２…ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層 １３…ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層 １４…ｎ型ＧａＡｓ基板 １５…ｎ型ＧａＡｓバッファ層 １６…ｎ型ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓＤＢＲ共振器 １７…ｐ型ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓＤＢＲ共振器 １８…ｐ側電極 １９…ｎ側電極 ２２…誘電体多層膜ミラー ３１…ＧａＡｓコンタクト層 ３２…下部誘電体多層膜ＡＲコート ３３…上部誘電体多層膜ＡＲコート

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】活性層が複数の量子井戸からなる面型半導
   体光増幅素子であって、前記複数の量子井戸のうち少な
   くとも１つの量子井戸は他の量子井戸と異なる量子エネ
   ルギー準位を有するとともに、増幅動作波長に対応する
   エネルギーが前記複数の量子井戸の最低の量子エネルギ
   ー準位以上かつ前記複数の量子井戸の最高の量子エネル
   ギー準位以下に設定されていることを特徴とする面型半
   導体光増幅素子。