(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＰ基板上に形成され、複数の井戸層と複数のバリア層とを備え、前記井戸層と前記バリア層とを交互に積層した多重量子井戸活性層を備え、
前記井戸層及び前記バリア層が、いずれも伸張歪を有し、
前記バリア層の伸張歪量が、前記井戸層の伸張歪量よりも大きく、
前記井戸層及び前記バリア層は、伸張歪量に応じて、電子のエネルギーレベルが高エネルギー側、軽い正孔のエネルギーレベルが低エネルギー側、重い正孔のエネルギーレベルが高エネルギー側へそれぞれシフトする、前記ＩｎＰ基板上に成長したＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）、ＡｌxＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）又はＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）によって形成され、
１４００〜１５８０ｎｍの波長帯域にわたって、ＰＤＧの値が±０．５ｄＢの範囲内になるように、前記井戸層の伸張歪量が０．１０％であり、前記バリア層の伸張歪量が０．８０％であることを特徴とする半導体光増幅器。
【請求項２】
前記井戸層及び前記バリア層の厚さは、いずれも１０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体光増幅器。
【請求項３】
前記多重量子井戸活性層の厚さは、１００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体光増幅器。
【請求項４】
前記複数の井戸層は、同一の半導体材料からなり、かつ、同一の組成であり、
前記複数のバリア層は、同一の半導体材料からなり、かつ、同一の組成であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体光増幅器。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体光増幅器と、
光機能素子と、
光導波路とを備え、
前記半導体光増幅器、前記光機能素子及び前記光導波路が同一基板上に集積されていることを特徴とする半導体光集積素子。
【請求項６】
ＩｎＰ基板上に、伸張歪を有する井戸層と、前記井戸層の伸張歪量よりも大きい伸張歪量を有するバリア層とを交互に積層させて多重量子井戸活性層を形成する工程を含み、
前記多重量子井戸活性層形成工程において、１４００〜１５８０ｎｍの波長帯域にわたって、ＰＤＧの値が±０．５ｄＢの範囲内になるように、前記井戸層及び前記バリア層を、前記井戸層の伸張歪量が０．１０％となり、前記バリア層の伸張歪量が０．８０％となるように、伸張歪量に応じて、電子のエネルギーレベルが高エネルギー側、軽い正孔のエネルギーレベルが低エネルギー側、重い正孔のエネルギーレベルが高エネルギー側へそれぞれシフトする、前記ＩｎＰ基板上に成長したＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）、ＡｌxＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）又はＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）によって形成することを特徴とする半導体光増幅器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光通信システム内で用いられる半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）及びその製造方法並びに半導体光集積素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムでは、光ファイバや各種光素子が受ける外的要因によって、信号光の偏波状態は常に一定ではなく、時間的に推移する。
このため、光通信システム内に備えられるＳＯＡによって常に一定の光利得を得るためには、ＳＯＡで生ずる光利得が入力信号光の偏波状態に依らず一定であることが要求される。
【０００３】
偏波無依存なＳＯＡを実現するための技術として、例えば、以下の２つの技術がある。
まず、ＩｎＰ基板上に形成され、ＧａＩｎＡｓＰ系バリア層とＧａＩｎＡｓＰ系井戸層とからなる半導体量子井戸層において、井戸層は面方向の引張り応力を受けないが、バリア層は面方向の引張り応力を受けるようにした技術（以下、第１の技術という）がある。
この第１の技術では、井戸層及びバリア層がいずれも面方向の引張り応力を受けないようにするか、又は、井戸層は面方向の引張り応力を受けるが、バリア層は面方向の引張り応力を受けないようにすると、ＴＭモードの増幅利得が、ＴＥモードの増幅利得とほぼ等しいか、又は、ＴＥモードの増幅利得に比しある値以上大きくなるようにすることが実際上きわめて困難であるため、上述のような構成を採用している。
【０００４】
また、所望の効果を得るのに上記第１の技術よりも歪量を大きくしないですむ偏波無依存な半導体光増幅器を実現するために、ＧａＡｓ基板上に形成され、ＧａＡｓＰ井戸層とＧａＡｓＰ障壁層とからなる歪多重量子井戸活性層、又は、ＧａＡｓ基板上に形成され、ＩｎＧａＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層とからなる歪多重量子井戸活性層を採用し、井戸層と障壁層とに面内引っぱり応力を与えるようにした技術（以下、第２の技術という）がある。
【０００５】
ところで、近年、光通信システムでは、波長分割多重（ＷＤＭ：wavelength division multiplexing）伝送方式が多く用いられている。また、このＷＤＭ伝送方式の一種として、比較的広い波長間隔（例えば２０ｎｍ）で信号光を配置したＣＷＤＭ（Coarse ＷＤＭ
）伝送方式の適用が広がっている。
これらの伝送方式に対応するために、ＷＤＭ又はＣＷＤＭ光信号が使用する広い波長帯域全体にわたって偏波無依存な光増幅特性を有するＳＯＡを実現したい。
【０００６】
また、ＳＯＡは、一般に広い光増幅波長帯域（利得帯域）を有し、例えば複数のＣＷＤＭ信号光を一括して増幅することが可能であるが、各信号光の光出力を一定にするために、広い波長帯域にわたって光利得が一定になるようにしたい。つまり、広帯域で平坦な光利得スペクトルを有するＳＯＡを実現したい。
例えば、広い波長帯域にわたって偏光無依存の半導体光増幅器を実現するための技術としては、ＩｎＰ基板上に形成され、バンドギャップ波長の異なる複数のＩｎＧａＡｓＰバルク活性層を設け、各バルク活性層から得られる異なる波長帯域の利得スペクトルを重ね合わせることによって波長帯域を広げるとともに、各バルク活性層の間に設けられるＩｎＧａＡｓＰ障壁層には歪みを入れずに、各バルク活性層には伸張歪みを入れることによってＴＥ偏光、ＴＭ偏光間の利得差を調整できるようにした技術（以下、第３の技術という）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平４−２７１８３号公報
【特許文献２】特開平６−２４４５０８号公報
【特許文献３】特開２００２−１６３２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記第１の技術や上記第２の技術は、単に偏波無依存なＳＯＡを実現するための技術であり、例えばＷＤＭ又はＣＷＤＭ光信号が使用するような広い波長帯域にわたって、若しくは、ＳＯＡの広い利得帯域（波長帯域）の全域にわたって、偏波無依存な光増幅特性を得ること、又は、広帯域で平坦な利得スペクトルを得ることについては何ら考慮されていない。
【０００９】
また、上記第３の技術は、広い波長帯域にわたって偏光無依存の半導体光増幅器を実現するための技術であるが、異なる形状の利得スペクトルを重ね合わせることによって波長帯域を広げているため、広帯域で平坦な利得スペクトルを得るのは難しい。
そこで、広い波長帯域にわたって、偏波無依存な光増幅特性を得られるようにするとともに、平坦な利得スペクトルが得られるようにしたい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このため、本半導体光増幅器は、ＩｎＰ基板上に形成され、複数の井戸層と複数のバリア層とを備え、井戸層とバリア層とを交互に積層した多重量子井戸活性層を備え、井戸層及びバリア層が、いずれも伸張歪を有し、バリア層の伸張歪量が、井戸層の伸張歪量よりも大きく、井戸層及びバリア層は、伸張歪量に応じて、電子のエネルギーレベルが高エネルギー側、軽い正孔のエネルギーレベルが低エネルギー側、重い正孔のエネルギーレベルが高エネルギー側へそれぞれシフトする、ＩｎＰ基板上に成長したＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）、ＡｌxＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）又はＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）によって形成され、１４００〜１５８０ｎｍの波長帯域にわたって、ＰＤＧの値が±０．５ｄＢの範囲内になるように、井戸層の伸張歪量が０．１０％であり、バリア層の伸張歪量が０．８０％であることを要件とする。
また、本半導体光集積素子は、上記の半導体光増幅器と、光機能素子と、光導波路とを備え、半導体光増幅器、光機能素子及び光導波路が同一基板上に集積されていることを要件とする。
【００１１】
また、本半導体光増幅器の製造方法は、ＩｎＰ基板上に、伸張歪を有する井戸層と、井戸層の伸張歪量よりも大きい伸張歪量を有するバリア層とを交互に積層させて多重量子井戸活性層を形成する工程を含み、多重量子井戸活性層形成工程において、１４００〜１５８０ｎｍの波長帯域にわたって、ＰＤＧの値が±０．５ｄＢの範囲内になるように、井戸層及びバリア層を、井戸層の伸張歪量が０．１０％となり、バリア層の伸張歪量が０．８０％となるように、伸張歪量に応じて、電子のエネルギーレベルが高エネルギー側、軽い正孔のエネルギーレベルが低エネルギー側、重い正孔のエネルギーレベルが高エネルギー側へそれぞれシフトする、ＩｎＰ基板上に成長したＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）、ＡｌxＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）又はＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）によって形成することを要件とする。
【発明の効果】
【００１２】
したがって、本半導体光増幅器及びその製造方法並びに半導体光集積素子によれば、広い波長帯域にわたって、偏波無依存な光増幅特性を得られるとともに、平坦な利得スペクトルが得られるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる半導体光増幅器に備えられる活性層のエネルギーバンド構造を示す模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかる半導体光増幅器の構成及びその製造方法を説明するための模式的断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態にかかる半導体光増幅器の利得特性（ＴＥ利得スペクトル及びＴＭ利得スペクトル）を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態にかかる半導体光増幅器の偏波間利得差の特性（ＰＤＧスペクトル）を示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態にかかる半導体光増幅器における伸張歪量とエネルギーシフトとの関係を示す図である。
【図６】本発明の第１実施形態にかかる半導体光増幅器における井戸層の伸張歪量と偏波間ＡＳＥ強度差（ＰＤＧスペクトル）との関係を示す図である。
【図７】本発明の第１実施形態の変形例にかかる半導体光増幅器の構成及びその製造方法を説明するための模式的断面図である。
【図８】従来の第１の技術の半導体光増幅器に備えられる活性層のエネルギーバンド構造を示す模式図である。
【図９】従来の第１の技術の半導体光増幅器の利得特性（ＴＥ利得スペクトル及びＴＭ利得スペクトル）を示す図である。
【図１０】従来の第１の技術の半導体光増幅器の偏波間利得差の特性（ＰＤＧスペクトル）を示す図である。
【図１１】従来の第２の技術の半導体光増幅器に備えられる活性層のエネルギーバンド構造を示す模式図である。
【図１２】従来の第２の技術の半導体光増幅器における伸張歪量とエネルギーシフトとの関係を示す図である。
【図１３】従来の第２の技術の半導体光増幅器の利得特性（ＴＥ利得スペクトル及びＴＭ利得スペクトル）を示す図である。
【図１４】本発明の第２実施形態にかかる半導体光集積素子の構成を示す模式的平面図である。
【図１５】（Ａ）〜（Ｆ）は、本発明の第２実施形態にかかる半導体光集積素子（８入力１出力のＳＯＡゲートアレイ集積素子）の各部分における構成及びその製造方法を説明するための模式的断面図であって、（Ａ）〜（Ｃ）は、各チャネル光導波路部及び光カプラ部の構成及びその製造方法を説明するための図であり、（Ｄ）〜（Ｆ）は、ＳＯＡ部の構成及びその製造方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面により、本実施形態にかかる半導体光増幅器、半導体光集積素子及びこれらの製造方法について説明する。
［第１実施形態］
まず、第１実施形態にかかる半導体光増幅器及びその製造方法について、図１〜図１３を参照しながら説明する。
【００１５】
本実施形態にかかる半導体光増幅器は、信号光を入力するポートと出力するポートを有し、素子内の活性層で生じる誘導放出によって入力信号光の光強度を増幅する機能を有し、ＩｎＰ基板上に作製される偏波無依存型ＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier）
である。
なお、このような偏波無依存型ＳＯＡは、例えば光通信システム内でインラインアンプ、ブースターアンプ、プリアンプ等として単体で用いられるほか、光ゲートスイッチや光信号処理素子等の半導体光集積回路内に搭載される能動素子として幅広く使用される。
【００１６】
本ＳＯＡは、図２に示すように、ＩｎＰ基板１上に形成され、ＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料［ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）］からなる多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造の活性層（ＭＱＷ活性層）４を備える。
ここで、ＧａＩｎＡｓＰ系ＭＱＷ活性層４は、複数のＧａＩｎＡｓＰ系［ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）］井戸層４Ａと複数のＧａＩｎＡｓＰ系［ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）］バリア層４Ｂとを備え、ＧａＩｎＡｓＰ系井戸層４ＡとＧａＩｎＡｓＰ系バリア層４Ｂとを交互に積層したＭＱＷ構造になっている。
【００１７】
具体的には、本ＳＯＡは、図２に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板１上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層２、ｉ−ＧａＩｎＡｓＰ−ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）層（光ガイド層）３、Ｇａ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓ井戸層４Ａ（伸張歪量０．１０％；厚さ５ｎｍ）とＧａ０．５８Ｉｎ０．４２Ａｓバリア層４Ｂ（伸張歪量０．８０％；厚さ５ｎｍ）を交互に６周期成長させてなる歪ＭＱＷ活性層４、ｉ−ＧａＩｎＡｓＰ−ＳＣＨ層５、ｐ−ＩｎＰクラッド層６、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７を順に積層させた半導体積層構造を有し、この半導体積層構造に形成されたメサ構造８を半絶縁性ＩｎＰブロック層（高抵抗ＩｎＰ層；ＳＩ−ＩｎＰ層）９で埋め込んで高抵抗電流狭窄構造が形成されている（高抵抗埋込型ＳＯＡ）。
【００１８】
つまり、本実施形態では、井戸層４Ａ及びバリア層４Ｂは、いずれも伸張歪を有し、バリア層４Ｂの伸張歪量が井戸層４Ａの伸張歪量よりも大きくなっている。このため、ＭＱＷ活性層は歪ＭＱＷ活性層とも言う。
また、本実施形態では、井戸層４Ａ及びバリア層４Ｂは、同一の半導体材料によって形成されている。
【００１９】
さらに、本実施形態では、複数の井戸層４Ａは、同一の半導体材料からなり、かつ、同一の組成になっている。また、複数のバリア層４Ｂは、同一の半導体材料からなり、かつ、同一の組成になっている。
特に、本実施形態では、上述のように、井戸層４Ａ及びバリア層４Ｂの両層に伸張歪を加えるようにすることで、電子，重い正孔，軽い正孔のそれぞれのエネルギーレベルを、井戸層４Ａとバリア層４Ｂとでそれぞれ独立に調整できるようにしている。
【００２０】
ここで、図１は、本ＳＯＡの歪ＭＱＷ活性層４のエネルギーバンド構造を示している。
なお、図１では、歪ＭＱＷ活性層４内における電子、正孔のポテンシャル分布を模式的に示しており、図１の上側へ向かって、電子のエネルギーは高くなり、正孔のエネルギーは低くなる。また、ここでは、歪ＭＱＷ活性層４を構成する井戸層４Ａ、バリア層４Ｂとは、それぞれ、電子のエネルギーレベルが低い層、高い層と定義する。
【００２１】
本実施形態では、歪ＭＱＷ活性層４の井戸層４Ａ及びバリア層４Ｂの両層に伸張歪が加えられている。このため、図１に示すように、歪ＭＱＷ活性層４の全域にわたって、価電子帯のエネルギーレベルは、重い正孔のエネルギーレベルと軽い正孔のエネルギーレベルの２つに分離しており、軽い正孔のエネルギーレベルが重い正孔のエネルギーレベルよりも低い位置に存在している。
【００２２】
また、本実施形態では、バリア層４Ｂに加えられた伸張歪量が、井戸層４Ａに加えられた伸張歪量よりも大きくなっている。このため、図１に示すように、重い正孔のエネルギーレベルと電子のエネルギーレベル（伝導帯のエネルギーレベル）は、バリア層４Ｂよりも井戸層４Ａの方が数十ｍｅＶ程度低くなっており、いわゆるｔｙｐｅＩの量子井戸構造を形成している。これに対し、軽い正孔のエネルギーレベルは、井戸層４Ａよりもバリア層４Ｂの方が数十ｍｅＶ程度低くなっており、軽い正孔のエネルギーレベルと電子のエネルギーレベルは、いわゆるｔｙｐｅＩＩの量子井戸構造を形成している。
【００２３】
特に、本実施形態では、電子，重い正孔，軽い正孔のそれぞれのエネルギーレベルを、井戸層４Ａとバリア層４Ｂとでそれぞれ独立に調整できるため、軽い正孔と重い正孔の量子準位間のエネルギー差（図１参照）と、電子，重い正孔，軽い正孔の各実効的障壁高さ（電子，重い正孔，軽い正孔の各量子準位に対するエネルギー障壁の高さ；図１参照）とを独立に制御することができる。
【００２４】
ここで、軽い正孔と重い正孔の量子準位間のエネルギー差は、量子井戸内における軽い正孔と重い正孔の存在比率を調整するパラメータであり、これを調整することで、ＳＯＡで生ずる光利得の偏波依存性を表す指標である偏波間利得差（ＰＤＧ：Polarization Dependent Gain）を小さくすることができる。
また、実効的障壁高さは、利得スペクトルの形状及びＰＤＧの波長依存性を示すＰＤＧスペクトルの形状を決定するパラメータであり、これを調整することで、広い波長範囲にわたって平坦な利得スペクトル及びＰＤＧスペクトルを実現することができる。
【００２５】
なお、ＰＤＧは、様々な入力信号光の偏波状態に対するＳＯＡの最大利得と最小利得の差で定義される。一般に、ＳＯＡでは、ＴＥ，ＴＭの２つの直交する直線偏波モードのどちらかが極大・極小に当たるため、ＰＤＧ＝|ＴＥ利得−ＴＭ利得|と表される。
ＳＯＡにおける偏波無依存な光増幅特性とは、このＰＤＧの値が小さいこと（例えば１ｄＢ以下）を意味し、広い波長帯域にわたって偏波無依存な光増幅特性とは、ＰＤＧの値が小さく、かつ、ＰＤＧスペクトルが広い波長帯域にわたって平坦であることを意味する。
【００２６】
また、ＳＯＡの光利得（ｄＢスケール）は、その活性層で生じる材料利得と光導波モードに対する活性層の光閉じ込め係数の積に比例する。
一般的なＳＯＡでは、活性層を形成する半導体材料の材料利得のＴＥ／ＴＭ偏波依存性、及び、活性層の形状の非対称性に起因したＴＥ／ＴＭ偏波間の光閉じ込め係数差によって、ＴＥ偏波信号光に対する光利得(以下、ＴＥ利得という)がＴＭ偏波信号光に対する光利得（以下、ＴＭ利得という）よりも大きくなりやすい。
【００２７】
本実施形態では、井戸層４Ａ及びバリア層４Ｂの両方に伸張歪を入れるため、材料利得をＴＭ利得＞ＴＥ利得とすることが可能であり、この材料利得の関係（ＴＭ利得＞ＴＥ利得）でＴＥ／ＴＭ偏波間の光閉じ込め係数差（ＴＥモードの光閉じ込め係数＞ＴＭモードの光閉じ込め係数）を相殺することで、偏波無依存な光利得を実現することができる。
上述のように、本実施形態では、軽い正孔と重い正孔の量子準位間のエネルギー差と、電子，重い正孔，軽い正孔の各実効的障壁高さとの両方をそれぞれ独立に調整することによって、小さいＰＤＧを実現することができ、また、広い波長範囲にわたって平坦な利得スペクトル及びＰＤＧスペクトルを実現することができる。
【００２８】
上述の本実施形態の構造では、電子，軽い正孔，重い正孔の各実効的障壁高さを５〜２０ｍｅＶ程度（ここでは電子の実効的障壁高さΔＥｃ＝１９．１ｍｅＶ，軽い正孔の実効的障壁高さΔＥｖｌｈ＝６．１ｍｅＶ，重い正孔の実効的障壁高さΔＥｖｈｈ＝８．１ｍｅＶ）に調整し、さらに、軽い正孔と重い正孔の量子準位間のエネルギー差を約２３ｍｅＶ程度に調整すれば良い。これにより、図３に示すように、ＴＥ利得の利得スペクトルの形状とＴＭ利得の利得スペクトルの形状とをほぼ同一にし（即ち、小さいＰＤＧを実現し）、広い波長帯域にわたって平坦な利得スペクトルを実現することができるとともに、図４に示すように、広い波長帯域にわたって平坦なＰＤＧスペクトルを実現することができる。
【００２９】
本ＳＯＡでは、井戸層４Ａに導入した伸張歪の効果によって重い正孔の実効的障壁高さが低減され（ここではΔＥｖｈｈ＝８．１ｍｅＶ）、活性層４内の量子効果が弱められるため、ＴＥ利得の利得スペクトルの凸構造が緩和される。この結果、図３に示すように、ＴＥ利得の利得スペクトルの形状とＴＭ利得の利得スペクトルの形状とがほぼ同一となり、小さいＰＤＧが実現される。つまり、図４に示すように、ＰＤＧスペクトルの凸構造を緩和することができ、広い波長帯域にわたって平坦なＰＤＧスペクトルを実現することができる。
【００３０】
上述の本実施形態の構造、即ち、ＩｎＰ基板１上に、Ｇａ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓ井戸層４Ａ（伸張歪量０．１０％；厚さ５ｎｍ）とＧａ０．５８Ｉｎ０．４２Ａｓバリア層４Ｂ（伸張歪量０．８０％；厚さ５ｎｍ）とからなる歪ＭＱＷ活性層４を備える構造では、図４に示すように、測定した全波長帯域（ここでは１４００〜１５８０ｎｍ）にわたって、ＰＤＧの値が±０．５ｄＢの範囲内となった（ＰＤＧ＜±０．５ｄＢ）。なお、図４では、便宜上、ＴＥ＞ＴＭをプラス（＋）とし、ＴＥ＜ＴＭをマイナス（−）としている。
【００３１】
つまり、上述の本実施形態では、井戸層４Ａ及びバリア層４Ｂのそれぞれに加える伸張歪量（さらには井戸層４Ａ及びバリア層４Ｂのそれぞれの厚さ）を調整することによってバンド構造の調整を行なうことができる。
このため、ＰＤＧの大きさに関わる軽い正孔と重い正孔の量子準位間のエネルギー差と、ＰＤＧスペクトルに寄与する電子，重い正孔，軽い正孔の各実効的障壁高さとの両方を最適化することができる。これにより、偏波無依存な増幅特性が得られる波長帯域を顕著に拡大することができ、例えばＳＯＡの利得帯域の全域に及ぶような広い波長帯域において小さいＰＤＧを得ることができる。
【００３２】
例えば、バリア層の伸張歪量を調整して軽い正孔と重い正孔の量子準位間のエネルギー差を最適化して小さいＰＤＧが得られるようにするとともに、井戸層の伸張歪量を調整して電子，重い正孔，軽い正孔の各実効的障壁高さを最適化して広い波長帯域にわたって平坦なＰＤＧスペクトルが得られるようにすることができる。
これに対し、上述の第１の技術のような構造、例えば、ＩｎＰ基板上に、無歪のＧａ０．４７Ｉｎ０．５３Ａｓ井戸層（厚さ５ｎｍ）とＧａ０．７２Ｉｎ０．２８Ａｓバリア層（伸張歪量１．７％；厚さ５ｎｍ）とからなるＭＱＷ活性層を備える構造では、図８に示すようなエネルギーバンド構造になり、電子の実効的障壁高さΔＥｃは７６．７ｍｅＶ、軽い正孔の実効的障壁高さΔＥｖｌｈは３４．２ｍｅＶ、重い正孔の実効的障壁高さΔＥｖｈｈは２９．６ｍｅＶとなる。なお、ここでは、活性層構造以外の構造は本実施形態の構造と同一として各値を求めている。
【００３３】
このため、ＭＱＷ活性層内における重い正孔及び軽い正孔の実効的障壁高さが大きく（ここではΔＥｖｈｈ＝２９．６ｍｅＶ、ΔＥｖｌｈ=３４．２ｍｅＶ）、各正孔の有効質
量を勘案すると、特に質量の大きい重い正孔において、活性層内の量子閉じ込め効果が強く働くことになる。
この結果、図９に示すように、ＴＭ利得の利得スペクトルよりもＴＥ利得の利得スペクトルの方がやや大きな凸構造になってしまい、これを反映して、図１０に示すように、ＰＤＧスペクトルにも大きな凸構造が生じてしまう。このため、図１０に示すように、ＰＤＧスペクトルの形状は広い波長帯域で十分に平坦にならず、ＰＤＧ＜±０．５ｄＢ（図１０では、便宜上、ＴＥ＞ＴＭをプラス（＋）とし、ＴＥ＜ＴＭをマイナス（−）としている)が得られる波長帯域は狭い波長帯域（ここでは４０ｎｍ）に制限されてしまう。
【００３４】
つまり、上述の第１の技術では、バリア層の伸張歪量（さらには井戸層及びバリア層のそれぞれの厚さ）のみを調整することによってバンド構造の調整を行なうことになるため、ＰＤＧの大きさに関わる軽い正孔と重い正孔の量子準位間のエネルギー差と、ＰＤＧスペクトルに寄与する電子，重い正孔，軽い正孔の各実効的障壁高さとの両方を最適化することが難しい。この結果、バリア層の伸張歪量を小さいＰＤＧが得られるように設定しても実効的障壁高さが所望の値よりも大きくなってしまうため、量子効果が強く働いてしまい、ＰＤＧスペクトルに大きな凸構造が生じてしまうことになる。このため、バリア層の伸張歪量をどのように調整したとしても、例えばＳＯＡの利得帯域の全域に及ぶような広い波長帯域にわたって小さいＰＤＧを得ることは困難である。
【００３５】
ところで、上述の実施形態の構造では、ＩｎＰ基板１上に、ＧａＩｎＡｓ伸張歪井戸層４ＡとＧａＩｎＡｓ伸張歪バリア層４Ｂとからなる歪ＭＱＷ活性層４を成長させるようにしている。つまり、上述の実施形態の構造では、図５に示すように、無歪の場合に対して、電子のエネルギーレベル、軽い正孔のエネルギーレベル及び重い正孔のエネルギーレベルの全てが伸張歪量に応じてエネルギーシフトする半導体材料（即ち、ＩｎＰ基板上に成長したＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料）を用いている。ここでは、井戸層４Ａ及びバリア層４Ｂは、伸張歪量に応じて、電子のエネルギーレベルが高エネルギー側、軽い正孔のエネルギーレベルが低エネルギー側、重い正孔のエネルギーレベルが高エネルギー側へそれぞれシフトする半導体材料（即ち、ＩｎＰ基板上に成長したＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料）によって形成されている。
【００３６】
これに対し、上述の第２の技術のように、ＧａＡｓ基板上に、ＧａＡｓＰ伸張歪井戸層とＧａＡｓＰ伸張歪バリア層とからなる歪ＭＱＷ活性層（又は、ＧａＡｓ伸張歪バリア層とＩｎＧａＡｓ伸張歪井戸層とからなる歪ＭＱＷ活性層）を成長させる場合、図１２に示すように、無歪の場合に対して、電子のエネルギーレベル及び重い正孔のエネルギーレベルは伸張歪量に応じてエネルギーシフトするものの、軽い正孔のエネルギーレベルは伸張歪量を変えてもほとんどエネルギーシフトしない。
【００３７】
この第２の技術のような構造、例えば、ＧａＡｓ基板上に、ＧａＡｓ０．９Ｐ０．１井戸層（伸張歪量０．３％；厚さ６ｎｍ）とＧａＡｓ０．７５Ｐ０．２５バリア層（伸張歪量０．９％；厚さ７ｎｍ）とからなる歪ＭＱＷ活性層を備える構造では、図１１に示すように、活性層内において、重い正孔のエネルギーレベルと電子のエネルギーレベルは、いわゆるｔｙｐｅＩの量子井戸構造を形成するものの、ＩｎＰ基板上に半導体層を成長させる場合とＧａＡｓ基板上に半導体層を成長させる場合のバンドオフセット差の影響で、バリア層と井戸層との間のエネルギーレベル差が数ｍｅＶ程度しか得られないため、軽い正孔のエネルギーレベルはほぼ平坦なバンド構造となる。この場合、電子の実効的障壁高さΔＥｃは６８ｍｅＶ、軽い正孔の実効的障壁高さΔＥｖｌｈは１ｍｅＶよりも小さくなり、重い正孔の実効的障壁高さΔＥｖｈｈは１１．５ｍｅＶとなる。
【００３８】
このため、重い正孔は、数十ｍｅＶ程度の実効的障壁高さを持ち、その高さを歪量や層厚で調整可能であるものの、軽い正孔は、歪量や層厚に関係なく、その実効的障壁高さがほぼ０に固定されてしまう。つまり、活性層内における軽い正孔のエネルギーレベルに十分な高さを有する量子井戸構造を形成するのは難しい。したがって、図１３に示すように、軽い正孔が寄与するＴＭ利得のスペクトル形状と、主に重い正孔が寄与するＴＥ利得のスペクトル形状が大きく異なってしまう。このため、広い波長帯域にわたって小さいＰＤＧを実現するのは難しい。つまり、広い波長帯域にわたってＰＤＧスペクトルが十分に平坦になるように調整するのは難しい。
【００３９】
ところで、本実施形態の構造によれば、図３に示すように、ＴＥ利得、ＴＭ利得のいずれについても、利得の３ｄＢ波長帯域（最も高い利得に対して３ｄＢの利得が得られる波長帯域）として、９０ｎｍ以上の非常に広い帯域が実現される。つまり、本実施形態の構造によれば、ＴＥ利得、ＴＭ利得のいずれについても、広帯域で平坦な利得スペクトルを得ることができる。
【００４０】
これは、本実施形態の構造では、図１に示すように、活性層４内における電子，軽い正孔，重い正孔の各エネルギーバンドにおいて、それぞれ単一の量子準位が形成されていることによるものである。
これに対し、上述の第３の技術では、ＳＯＡの光利得は互いに異なる形状の２種類の利得スペクトルを重ね合わせることによって得られるため、波長帯域を広げることができるものの、広帯域で平坦な利得スペクトルを得るのは難しい。
【００４１】
ところで、本実施形態の構造では、ＧａＩｎＡｓ井戸層４Ａの伸張歪量を０．１０％とし、ＧａＩｎＡｓバリア層４Ｂの伸張歪量を０．８０％としているが、これに限られるものではなく、井戸層に加える伸張歪量は０．０５％以上（伸張歪をマイナスとし、圧縮歪をプラスとする場合、歪量は−０．０５％以上）であれば、広い波長帯域にわたって小さいＰＤＧを実現することができる。
【００４２】
ここで、図６は、井戸層の伸張歪量を０．１０％、０．０５％、０％にして作製されたＳＯＡのそれぞれの偏波間ＡＳＥ強度差を示している。
なお、図６の縦軸の偏波間ＡＳＥ強度差は、ＳＯＡのＰＤＧと相関のある測定量であるため、図６に示したスペクトルはＳＯＡのＰＤＧスペクトルとほぼ等価である。また、ここでは、井戸層の伸張歪量に対する偏波間ＡＳＥ強度差の変化の効果をより明確に調べるために、上述の実施形態の具体的な構成例よりも活性層の厚さを厚くし、光利得が大きくなる仕様の素子（ＰＤＧが歪量に対してより敏感に反応する素子）を用いて比較を行なっている。このため、上述の実施形態の具体的な構成例のＰＤＧと図６の偏波間ＡＳＥ強度差の絶対値は整合していない。
【００４３】
図６に示すように、井戸層の伸張歪量が０．１０％及び０．０５％の場合のＰＤＧスペクトルは、井戸層の伸張歪量が０％の場合のＰＤＧスペクトルと比較して、波長１５５０ｎｍ付近の凸構造が大きく低減されている。したがって、井戸層の伸張歪量を０．０５％以上（好ましくは０．１０％以上）にすれば、広い波長帯域にわたって平坦なＰＤＧスペクトルが得られることになる。
【００４４】
なお、小さいＰＤＧを得るためには、バリア層の伸張歪量は０．０５％以上にするのが好ましい。但し、バリア層４Ｂの伸張歪量は井戸層４Ａの伸張歪量よりも大きくなっている必要がある。
ところで、例えば光通信システムで利用されるＳＯＡには高い飽和光出力が要求される。
【００４５】
一方、光通信システムで伝送される高速変調光信号をＳＯＡで増幅する場合、ＳＯＡ内の高速の利得応答に起因したパターン効果と呼ばれる現象によって変調光信号の波形劣化が生じ、通信品質を著しく低下させることになる。このＳＯＡ内で生じるパターン効果は、特にＳＯＡの光利得が飽和する高光出力状態において顕著に生じる。
このため、光通信システムにおいてＳＯＡを用いる場合、高い光出力レベルにおいてもパターン効果が抑制され、良好に変調光信号が増幅されるようにするためには、ＳＯＡの利得飽和を表す指標である飽和光出力（例えば３ｄＢの利得飽和が生じるＳＯＡの光出力で定義される）をなるべく大きくする必要がある。
【００４６】
一般に、ＳＯＡの飽和光出力は、活性層の厚さと反比例の関係にあり、十分に高い飽和光出力を実現するには、ＳＯＡの活性層の厚さを少なくとも１００ｎｍ以下に低減させる必要がある。
したがって、本実施形態の構造では、井戸層４Ａの厚さを５ｎｍとし、バリア層４Ｂの厚さを５ｎｍとし、これらを交互に６周期積層してなるＭＱＷ活性層４全体の厚さを６５ｎｍとすることで、本ＳＯＡの飽和光出力を高め、高光出力状態においてもパターン効果が抑制され、良好に変調光信号が増幅されるようにしている。これにより、高出力なＳＯＡを実現することができる。
【００４７】
なお、本実施形態の構造では、ＭＱＷ活性層４全体の厚さを６５ｎｍとしているが、これに限られるものではなく、ＳＯＡの活性層の厚さは１００ｎｍ以下にすれば良い。本実施形態のようにＭＱＷ構造の活性層の場合、井戸層とバリア層の繰り返し数を調整することによって活性層全体の厚さを容易に調整することができる。
また、本実施形態の構造では、井戸層４Ａの厚さを５ｎｍとし、バリア層４Ｂの厚さを５ｎｍとしているが、これに限られるものではなく、井戸層及びバリア層の厚さは、それぞれ、１０ｎｍ以下にすれば良い。
【００４８】
このように、井戸層４Ａ及びバリア層４Ｂの厚さを１０ｎｍ以下に設定することで、量子井戸内に生ずる高次量子準位のエネルギーを基底量子準位のエネルギーよりも十分高エネルギー側に引き離すことが可能となる。この結果、高い電流注入状態においても、利得スペクトル上に高次量子準位の寄与によるピーク構造が発現するのを抑制することができ、平坦な利得スペクトル形状を保持することが可能となる。
【００４９】
これに対し、上述の第３の技術では、複数のバルク活性層を含む活性層全体の厚さは、例えば５００ｎｍ程度と厚くなる。このような構造のものにおいて、偏波無依存な特性を保持したまま、活性層全体の厚さを低減することは難しく、高い飽和光出力を得ることは困難であると考えられる。
次に、本実施形態にかかる半導体光増幅器の製造方法について、図２を参照しながら説明する。
【００５０】
まず、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、例えば有機金属気相成長法（以下、ＭＯＶＰＥ法という）によって、ｎ−ＩｎＰクラッド層２（厚さ２００ｎｍ）、ｉ−ＧａＩｎＡｓＰ−ＳＣＨ層３（組成波長１．３μｍ；厚さ１００ｎｍ）を順にエピタキシャル成長させる（図２参照）。
その上に、伸張歪を加えたｉ−Ｇａ０．５８Ｉｎ０．４２Ａｓバリア層４Ｂ（伸張歪量０．８０％；厚さ５ｎｍ）と伸張歪を加えたｉ−Ｇａ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓ井戸層４Ａ（伸張歪量０．１０％；厚さ５ｎｍ）とを交互に６周期成長させて、歪ＭＱＷ活性層４を形成する（図２参照）。
【００５１】
このように、伸張歪を有する井戸層４Ａと、井戸層４Ａの伸張歪量（ここでは０．０５％以上の伸張歪量）よりも大きい伸張歪量（ここでは０．０５％以上の伸張歪量）を有するバリア層４Ｂとを交互に積層させてＭＱＷ活性層４を形成する。
また、上述のように、井戸層４Ａとして、１０ｎｍ以下の厚さの井戸層を形成し、バリア層４Ｂとして、１０ｎｍ以下の厚さのバリア層を形成する。このようにして、ＭＱＷ活性層４として、１００ｎｍ以下の厚さのＭＱＷ活性層を形成する。
【００５２】
また、上述のように、井戸層４Ａとバリア層４Ｂとを同一の半導体材料（即ち、ＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料）によって形成する。さらに、上述のように、井戸層４Ａとして、同一の半導体材料からなり、かつ、同一の組成の複数の井戸層を形成し、バリア層４Ｂとして、同一の半導体材料からなり、かつ、同一の組成の複数のバリア層を形成する。
また、井戸層４Ａ及びバリア層４Ｂを、伸張歪量に応じて、電子のエネルギーレベルが高エネルギー側、軽い正孔のエネルギーレベルが低エネルギー側、重い正孔のエネルギーレベルが高エネルギー側へそれぞれシフトする半導体材料（即ち、ＩｎＰ基板上に成長したＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料）によって形成する。
【００５３】
この活性層４上には、ｉ−ＧａＩｎＡｓＰ−ＳＣＨ層５（組成波長１．３μｍ；厚さ１００ｎｍ）、ｐ−ＩｎＰクラッド層６（厚さ２０００ｎｍ）、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７（例えば５００ｎｍ）を成長させる（図２参照）。
このようにして、各半導体層をエピタキシャル成長させた後、その表面上に、例えばＳｉＯ２膜を成膜し、例えばフォトマスクによって、例えば幅２μｍのメサストライプ構造をパターニングして、ＳｉＯ２マスクを形成する。
【００５４】
このＳｉＯ２マスクを用いて、例えばＩＣＰ−ＲＩＥ等の方法でドライエッチングを行なって、例えば高さ３μｍ程度のメサ構造８を形成する（図２参照）。
次に、例えばＭＯＶＰＥ法によって、メサ構造８が埋め込まれるように、半絶縁性ＩｎＰブロック層９（高抵抗ＩｎＰ層；ＳＩ−ＩｎＰ層；例えばＦｅやＲｕをドーピングしたＩｎＰ層）を埋め込み成長させて、高抵抗電流狭窄構造（高抵抗埋込構造；ＳＩ−ＢＨ構造；Semi-Insulating Buried Heterostructure）を形成する（図２参照）。
【００５５】
このようにしてエピタキシャル成長工程が完了し、図２に示すような素子断面構造が形成される。
そして、通常の半導体レーザに用いられるプロセスによって、ウェハの表面及び裏面に電極が形成される。
その後、電極が形成されたウェハは、素子長１ｍｍ程度のアレイに劈開され、両端面に無反射コーティングが施されて反射防止膜が形成される。さらに、アレイをチップに劈開することで、ＳＯＡ（ＳＯＡ素子）が完成する。
【００５６】
なお、このように構成されるＳＯＡにおいて、光導波路の両端に幅テーパ構造や膜厚テーパ構造によるスポットサイズ変換器を設けても良く、これにより、素子端面で光モード径を大きくすることができ、より高効率で光ファイバに結合することが可能な半導体光増幅器を実現することができる。また、上述のように両端面に反射防止膜を形成するとともに、光導波路は素子端面に対して例えば数度傾けて形成することによって、端面反射率を例えば１×１０−５以下に抑制することができ、この結果、利得スペクトルにリップルのない平坦な増幅特性を持つ半導体光増幅器を実現することができる。
【００５７】
したがって、本実施形態にかかる半導体光増幅器及びその製造方法によれば、広い波長帯域にわたって、偏波無依存な光増幅特性を得られるとともに、平坦な利得スペクトルが得られるという利点がある。
上述の実施形態の構造によれば、広い波長帯域にわたってＰＤＧを小さくすること、広い波長帯域にわたって平坦な利得スペクトルを得ること、高い飽和光出力を得るこという３点の両立を実現することができる。つまり、ＳＯＡの利得スペクトルを平坦に保ったまま、ＳＯＡの増幅波長帯域の全域にわたって小さいＰＤＧを実現でき、さらに活性層の厚さを低減することによって高い飽和光出力を実現することが可能である。
【００５８】
なお、上述の実施形態では、井戸層及びバリア層が同一の半導体材料（ＧａＩｎＡｓ）によって形成されているが、これに限られるものではなく、井戸層とバリア層とを異なる半導体材料によって形成しても良い。例えば井戸層とバリア層とをＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料に含まれる異なる半導体材料を用いて形成しても良い。
また、上述の実施形態では、井戸層及びバリア層の材料としてＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料を用いる場合を例に挙げて説明したが、井戸層及びバリア層の両方もしくはいずれか一方にＧａＩｎＮＡｓ系半導体材料［ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）］やＡｌＧａＩｎＡｓ半導体材料[ＡｌxＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）］を使用しても良い。また、井戸層及びバリア層の両方をＧａＩｎＮＡｓ系半導体材料を用いて形成する場合、ＧａＩｎＮＡｓ系半導体材料に含まれる異なる半導体材料を用いて形成しても良い。これにより、ＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料を用いる場合と同様の効果を実現することができ、さらに、ＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料を用いる場合よりも長波側（１．５５μｍ帯よりも長波長側）の光利得を実現することが可能となる。
【００５９】
また、上述の実施形態では、高抵抗埋込型ＳＯＡを例に挙げて説明しているが、導波路構造はこれに限られるものではない。例えば、ｐｎ埋め込み電流狭窄構造を持つＳＯＡ（ｐｎ埋込型ＳＯＡ）に本発明を適用することもできる。
この場合、ｐｎ埋込型ＳＯＡは、例えば図７に示すように、ＩｎＰ基板１上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層２、ｉ−ＧａＩｎＡｓＰ−ＳＣＨ層３、Ｇａ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓ井戸層４Ａ（伸張歪量０．１０％；厚さ５ｎｍ）とＧａ０．５８Ｉｎ０．４２Ａｓバリア層４Ｂ（伸張歪量０．８０％；厚さ５ｎｍ）を交互に６周期成長させてなる歪ＭＱＷ活性層４、ｉ−ＧａＩｎＡｓＰ−ＳＣＨ層５、ｐ−ＩｎＰクラッド層６Ａ，６Ｂ、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７Ａを順に積層させた半導体積層構造を有し、メサ構造８Ａがｐ−ＩｎＰブロック層１０及びｎ−ＩｎＰブロック層１１で埋め込まれたｐｎ電流狭窄構造を備えるものとして形成される。なお、図７では、上述の実施形態のもの（図２参照）と同一のものには同一の符号を付している。
【００６０】
以下、ｐｎ埋込型ＳＯＡの製造方法について、図７を参照しながら説明する。
まず、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、例えばＭＯＶＰＥ法によってｎ−ＩｎＰクラッド層２（厚さ２００ｎｍ）、ｉ−ＧａＩｎＡｓＰ−ＳＣＨ層３（組成波長１．３μｍ；厚さ１００ｎｍ）を順にエピタキシャル成長させる（図７参照）。
その上に、伸張歪を加えたｉ−Ｇａ０．５８Ｉｎ０．４２Ａｓバリア層４Ｂ（伸張歪量０．８０％；厚さ５ｎｍ）と伸張歪を加えたｉ−Ｇａ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓ井戸層４Ａ（伸張歪量０．１０％；厚さ５ｎｍ）とを交互に６周期成長させて、歪ＭＱＷ活性層４を形成する（図７参照）。
【００６１】
この活性層４上には、ｉ−ＧａＩｎＡｓＰ−ＳＣＨ層５（組成波長１．３μｍ；厚さ１００ｎｍ）、ｐ−ＩｎＰクラッド層６Ａ（厚さ２００ｎｍ）を成長させる（図７参照）。
このようにして、各半導体層をエピタキシャル成長させた後、その表面上に、例えばＳｉＯ２膜を成膜し、例えばフォトマスクによって、例えば幅幅２μｍのメサストライプ構造をパターニングして、ＳｉＯ２マスクを形成する。
【００６２】
このＳｉＯ２マスクを用いて、例えばＩＣＰ−ＲＩＥ等の方法でドライエッチングを行なって、例えば高さ１．５μｍ程度のメサ構造８Ａを形成する（図７参照）。
次に、例えばＭＯＶＰＥ法によって、メサ構造８Ａが埋め込まれるように、ｐ−ＩｎＰブロック層１０、ｎ−ＩｎＰブロック層１１を順に埋め込み成長させて、ｐｎ電流狭窄構造を形成する（図７参照）。
【００６３】
次いで、ＳｉＯ２マスクを剥離した後、さらにｐ−ＩｎＰクラッド層６Ｂを足し積み成長させ、さらにｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７Ａを成長させる。
このようにしてエピタキシャル成長工程が完了し、図７に示すような素子断面構造が形成される。
以後、上述の実施形態と同様のプロセスを経てＳＯＡ（ＳＯＡ素子）が完成する。
［第２実施形態］
まず、第２実施形態にかかる半導体光集積素子及びその製造方法について、図１４〜図１５を参照しながら説明する。
【００６４】
本実施形態にかかる半導体光集積素子は、上述の第１実施形態及びその変形例の半導体光増幅器（ＳＯＡ）と、光カプラと、光導波路とを備え、半導体光増幅器、光カプラ及び光導波路が同一基板上に集積された構造になっている。
以下、上述の第１実施形態及びその変形例の半導体光増幅器及び光カプラを集積した半導体光集積素子として、ＳＯＡ光ゲートアレイ集積素子を例に挙げて説明する。
【００６５】
本実施形態にかかるＳＯＡ光ゲートアレイ集積素子は、例えば配線基板やレンズアレイ等とともに実装基板上に実装され、ＳＯＡ光ゲートスイッチ（光モジュール；ここでは８×１ｃｈＳＯＡ光ゲートスイッチ）を構成する。
このＳＯＡ光ゲートスイッチは、例えば図１４に示すように、８つの入力ポートｃｈ１−８を介してＳＯＡゲートアレイ（８ｃｈＳＯＡアレイ）２０を構成する各ＳＯＡ２０Ａにそれぞれ入力された８つの信号光（入力信号光）のうち、１つの信号光を選択し、ＳＯＡ（１ｃｈＳＯＡ）２１で増幅して１つの出力ポートｃｈ９から出力信号光として出力する８×１ｃｈの光ゲートスイッチ機能を持っている。
【００６６】
つまり、このＳＯＡ光ゲートスイッチは、９つのＳＯＡのうち、選択した１つのポートに設けられる８ｃｈＳＯＡアレイ２０を構成する１つのＳＯＡ２０Ａ（８つの入力ポートｃｈ１−８のいずれかに設けられる１つのＳＯＡ）と１ｃｈＳＯＡ２１とに同時に電流を注入して、その光経路内を伝搬する信号光に光利得を与える一方、８ｃｈＳＯＡアレイ２０の残りの７つのＳＯＡ２０Ａ（８つの入力ポートｃｈ１−８の残りのポートに設けられる残りの７つのＳＯＡ）については電流非注入とし、ＳＯＡの高い吸収係数を利用することで、その他の光経路内を伝搬する信号光を消光させて、光ゲートスイッチ機能を実現する。
【００６７】
このように、ＳＯＡ光ゲートスイッチでは、ＳＯＡは電流を注入した時には光利得を生じるが、電流を注入しない時には非常に高効率に光を吸収するため、これを利用して、ＳＯＡに対する電流のＯＮ／ＯＦＦによって光ゲートの役割を実現している。
本ＳＯＡゲートアレイ集積素子は、８入力１出力のＳＯＡゲートアレイ集積素子（８×１ｃｈＳＯＡゲートアレイ集積素子）であって、図１４に示すように、複数（ここでは８つ）の入力チャネル光導波路部（第１チャネル光導波路部）２２と、光カプラ部２３と、複数の入力チャネル光導波路部２２に光カプラ部２３を介して接続された一の出力チャネル光導波路部（第２チャネル光導波路部）２４とを備える光導波路構造（チャネル光導波路構造）を、同一の半導体基板２５（ここではｎ−ＩｎＰ基板）上に形成したものとして構成される。そして、本ＳＯＡゲートアレイ集積素子は、信号光を導波させる光導波路構造を半絶縁性半導体埋込層２６（ここではＩｎＰ層）によって埋め込んだ埋込構造を有する。
【００６８】
ここで、光カプラ部２３は、複数（ここでは８つ）の入力チャネル光導波路部２２を伝搬してきた信号光を一の出力チャネル光導波路部２４に光結合させる機能を有する部分であり、例えば、８入力１出力のモード変換型カプラ［８×１ｃｈＦＦＣ（Flattened Field Coupler）カプラ］によって構成される。
また、入力チャネル光導波路部２２、光カプラ部２３及び出力チャネル光導波路部２４の光導波路構造は、図１５（Ａ）に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板２５上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層２７，ｉ−ＧａＩｎＡｓＰ光導波路コア層２８，ｐ−ＩｎＰクラッド層２９を順に積層させた構造になっている。ここで、ｉ−ＧａＩｎＡｓＰ光導波路コア層２８は、信号光を吸収しない程度にバンドギャップが広いＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料（例えば１．５５μｍの信号光に対しては、バンドギャップ波長１．３μｍのＧａＩｎＡｓＰ系半導体材料）が用いられる。
【００６９】
また、本実施形態では、図１４に示すように、複数（ここでは８つ）の入力チャネル光導波路部２２は、それぞれ、表面に電極を有するＳＯＡ部２０Ａを備え、複数（ここでは８つ）のＳＯＡ部２０Ａ（スイッチ用ＳＯＡ部）によってＳＯＡゲートアレイ２０（複数のＳＯＡ２０Ａが並列に配置されたもの；光スイッチ素子；８ｃｈＳＯＡアレイ）が構成される。
【００７０】
また、一の出力チャネル光導波路部２４は、出力される信号光（出力信号光）を増幅するための半導体光増幅器（ＳＯＡ）部２１（増幅用ＳＯＡ部；１ｃｈＳＯＡ）を備える。なお、この１ｃｈＳＯＡ２１は、光カプラ部２３で生じる光損失（１×８ｃｈの場合、原理的に９ｄＢ以上）を補償するために配置されるもので、常に電流をＯＮにしておくことで、素子全体で光増幅の機能を実現できるようにするものである。なお、ここでは、出力チャネル光導波路部２４にＳＯＡ部２１を設けているが、このＳＯＡ部２１は設けなくても良い。
【００７１】
ここで、ＳＯＡ部２０Ａ，２１の光導波路構造は、ｎ−ＩｎＰ基板２５上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層２７，上述の第１実施形態及びその変形例の歪ＭＱＷ構造を有する活性層４，ｐ−ＩｎＰクラッド層２９を順に積層させた構造になっている［図１５（Ｄ）参照］。
また、この光導波路構造（メサ構造）の周囲（両側）は、図１５（Ｃ），（Ｆ）に示すように、例えば有機金属気相成長法(以下、ＭＯＣＶＤ法)によって、半絶縁性半導体材料（高抵抗半導体材料）からなる半絶縁性半導体埋込層２６（ここでは半絶縁性ＩｎＰ埋込層；高抵抗半導体埋込層）を成長させることによって埋め込まれており、半絶縁性半導体埋込構造（高抵抗半導体埋込構造）が形成されている。つまり、本光集積素子は高抵抗埋込型半導体光カプラを備える。
【００７２】
以下、本実施形態にかかる半導体光集積素子（ＳＯＡゲートアレイ集積素子）の製造方法について、図１５を参照しながら説明する。
まず、図１５（Ｄ）に示すように、ｎ型の導電型を持つＩｎＰ基板２５（ｎ−ＩｎＰ基板）上に、例えばＭＯＶＰＥ法を用いて、ｎ−ＩｎＰクラッド層２７（層厚２００ｎｍ），必要に応じてｉ−ＧａＩｎＡｓＰ−ＳＣＨ層（組成波長１．３μｍ，層厚１００ｎｍ）を順に成長（エピタキシャル成長）させる。
【００７３】
その上に、図１５（Ｄ）に示すように、伸張歪を加えたｉ−Ｇａ０．５８Ｉｎ０．４２Ａｓバリア層４Ｂ（伸張歪量０．８０％；厚さ５ｎｍ）と伸張歪を加えたｉ−Ｇａ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓ井戸層４Ａ（伸張歪量０．１０％；厚さ５ｎｍ）とを交互に６周期成長させて、歪ＭＱＷ活性層４を形成する。
この活性層４上には、必要に応じてｉ−ＧａＩｎＡｓＰ−ＳＣＨ層（組成波長１．３μｍ；厚さ１００ｎｍ）、図１５（Ｄ）に示すように、ｐ−ＩｎＰクラッド層２９（厚さ２００ｎｍ）を成長させる。
【００７４】
続いて、各ＳＯＡ部２０Ａ，２１を形成する領域の上部にのみＳｉＯ2マスクを形成し
、例えばウェットエッチングによって、残りの領域（入力チャネル光導波路部２２、出力チャネル光導波路部２４及び光カプラ部２３を形成する領域）に形成されている積層構造のｐ−ＩｎＰクラッド層２９から活性層４までを除去し、除去した領域には、光カプラ部２３、入力チャネル光導波路部２２及び出力チャネル光導波路部２４を構成する光導波路構造を形成すべく、図１５（Ａ）に示すように、例えばＭＯＶＰＥ法によって、下から順に、ｉ−ＧａＩｎＡｓＰ光導波路コア層２８（層厚２００ｎｍ，組成波長１．３μｍ）、ｐ−ＩｎＰクラッド層２９（層厚約３００ｎｍ）をバットジョイント成長させる。
【００７５】
次に、ＳｉＯ2マスクを除去した後、図１５（Ａ），（Ｄ）に示すように、例えばＭＯ
ＶＰＥ法によって、ウェハ全面にわたって、ｐ−ＩｎＰクラッド層２９（層厚約２μｍ）、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層３０（層厚５００ｎｍ，組成波長１．３μｍ）を順に成長させる。これにより、図１５（Ａ）に示すように、光カプラ部２３、入力チャネル光導波路部２２及び出力チャネル光導波路部２４を構成する積層構造が作製されるとともに、図１５（Ｄ）に示すように、ＳＯＡ部２０Ａ，２１を構成する積層構造が作製される。
【００７６】
続いて、例えばドライエッチングによる光導波路構造の作製を行なう。
まず、ＳＯＡ部２０Ａ，２１、光カプラ部２３、入力チャネル光導波路部２２及び出力チャネル光導波路部２４を構成する光導波路構造を形成するためのマスクパターンを有するＳｉＯ2マスク３１を形成する。
次に、図１５（Ｂ），（Ｅ）に示すように、このＳｉＯ2マスク３１を用いて、例えば
ＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching）法（誘導結合型
プラズマ反応性イオンエッチング法）等のドライエッチングを行なって、例えば高さ３μｍの導波路メサ構造［ＳＯＡ部２０Ａ，２１（ＳＯＡ導波路部）、光カプラ部２３（光カプラ導波路部）、入力チャネル光導波路部２２及び出力チャネル光導波路部２４を構成する光導波路構造］を形成する。
【００７７】
次いで、図１５（Ｃ），（Ｆ）に示すように、例えばＭＯＶＰＥ法によって、例えばＦｅをドープした半絶縁性ＩｎＰ埋込層２６［ＳＩ（Semi-Insulating）−ＩｎＰブロック
層；高抵抗ＩｎＰ埋込層］を成長させて、導波路メサ構造の周囲を半絶縁性ＩｎＰ埋込層２６で均一かつ平坦に埋め込んで半絶縁性埋込ヘテロ構造を形成する。
その後、図１５（Ｆ）に示すように、各ＳＯＡ部２０Ａ，２１を形成する領域の上部（即ち、ＳＯＡ活性層の直上）に、例えば一般的な半導体レーザで使用されているものと同様の構造の電極（ＳＯＡ電極）３２を形成する。
【００７８】
さらに、デバイスの入出力側の端面には、信号光の反射を防止するＡＲ（Anti-Reflection）コーティングを施し、劈開によってチップ（デバイス）の切り出しを行ない、光集
積素子としてのＳＯＡゲートアレイ集積素子が完成する。
このようにして、半導体光増幅器（ＳＯＡ部）、光機能素子（光カプラ部）、及び、光導波路（光導波路部）を同一基板上に形成することによって、半導体光集積素子としてのＳＯＡゲートアレイ集積素子を作製する。
【００７９】
したがって、本実施形態にかかる半導体光集積素子によれば、上述の第１実施形態及びその変形例の半導体光増幅器を備えるため、上述の第１実施形態及びその変形例と同様に、広い波長帯域にわたって、偏波無依存な光増幅特性を得られるとともに、平坦な利得スペクトルが得られるという利点がある。
なお、本実施形態の半導体光集積素子は、上述の第１実施形態及びその変形例の半導体光増幅器、光カプラ、光導波路を集積したものとして構成しているが、これに限られるものではなく、例えば、レーザ光源、光変調器、位相変調器、光フィルタ等の他の光機能素子、上述の第１実施形態及びその変形例の半導体光増幅器、光導波路を集積して半導体光集積素子を構成することもできる。
［その他］
なお、本発明は、上述した各実施形態及びその変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
【００８０】
例えば、上述の各実施形態及びその変形例では、ｎ型の導電性を有する基板を用いているが、これに限られるものではなく、例えばｐ型の導電性を有する基板や半絶縁性の基板を用いて素子を作製しても良い。
以下、上述の各実施形態及びその変形例に関し、更に、付記を開示する。
（付記１）
ＩｎＰ基板上に形成され、複数の井戸層と複数のバリア層とを備え、前記井戸層と前記バリア層とを交互に積層した多重量子井戸活性層を備え、
前記井戸層及び前記バリア層が、いずれも伸張歪を有し、
前記バリア層の伸張歪量が、前記井戸層の伸張歪量よりも大きいことを特徴とする半導体光増幅器。
【００８１】
（付記２）
前記井戸層と前記バリア層とが同一の半導体材料によって形成されていることを特徴とする、付記１記載の半導体光増幅器。
（付記３）
前記井戸層及び前記バリア層は、伸張歪量に応じて、電子のエネルギーレベルが高エネルギー側、軽い正孔のエネルギーレベルが低エネルギー側、重い正孔のエネルギーレベルが高エネルギー側へそれぞれシフトする半導体材料によって形成されていることを特徴とする、付記１又は２記載の半導体光増幅器。
【００８２】
（付記４）
前記井戸層及び前記バリア層は、ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）、ＡｌxＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）又はＧａｘＩｎ
１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）によって形成されていることを特徴とする、付記１〜３のいずれか１項に記載の半導体光増幅器。
【００８３】
（付記５）
前記井戸層の伸張歪量は、０．０５％以上であることを特徴とする、付記１〜４のいずれか１項に記載の半導体光増幅器。
（付記６）
前記バリア層の伸張歪量は、０．０５％以上であることを特徴とする、付記１〜５のいずれか１項に記載の半導体光増幅器。
【００８４】
（付記７）
前記井戸層及び前記バリア層の厚さは、いずれも１０ｎｍ以下であることを特徴とする、付記１〜６のいずれか１項に記載の半導体光増幅器。
（付記８）
前記多重量子井戸活性層の厚さは、１００ｎｍ以下であることを特徴とする、付記１〜７のいずれか１項に記載の半導体光増幅器。
【００８５】
（付記９）
前記複数の井戸層は、同一の半導体材料からなり、かつ、同一の組成であり、
前記複数のバリア層は、同一の半導体材料からなり、かつ、同一の組成であることを特徴とする、付記１〜８のいずれか１項に記載の半導体光増幅器。
（付記１０）
付記１〜９のいずれか１項に記載の半導体光増幅器と、
光機能素子と、
光導波路とを備え、
前記半導体光増幅器、前記光機能素子及び前記光導波路が同一基板上に集積されていることを特徴とする半導体光集積素子。
【００８６】
（付記１１）
ＩｎＰ基板上に、伸張歪を有する井戸層と、前記井戸層の伸張歪量よりも大きい伸張歪量を有するバリア層とを交互に積層させて多重量子井戸活性層を形成することを特徴とする半導体光増幅器の製造方法。
（付記１２）
前記井戸層と前記バリア層とを同一の半導体材料によって形成することを特徴とする、付記１１記載の半導体光増幅器の製造方法。
【００８７】
（付記１３）
前記井戸層及び前記バリア層を、伸張歪量に応じて、電子のエネルギーレベルが高エネルギー側、軽い正孔のエネルギーレベルが低エネルギー側、重い正孔のエネルギーレベルが高エネルギー側へそれぞれシフトする半導体材料によって形成することを特徴とする、付記１１又は１２記載の半導体光増幅器の製造方法。
【００８８】
（付記１４）
前記井戸層及び前記バリア層を、ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）、ＡｌxＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）又はＧａｘＩｎ
１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）によって形成することを特徴とする、付記１１〜１３のいずれか１項に記載の半導体光増幅器の製造方法。
【００８９】
（付記１５）
前記井戸層として、０．０５％以上の伸張歪量を有する井戸層を形成することを特徴とする、付記１１〜１４のいずれか１項に記載の半導体光増幅器の製造方法。
（付記１６）
前記バリア層として、０．０５％以上の伸張歪量を有するバリア層を形成することを特徴とする、付記１１〜１５のいずれか１項に記載の半導体光増幅器の製造方法。
【００９０】
（付記１７）
前記井戸層として、１０ｎｍ以下の厚さの井戸層を形成し、
前記バリア層として、１０ｎｍ以下の厚さのバリア層を形成することを特徴とする、付記１１〜１６のいずれか１項に記載の半導体光増幅器の製造方法。
（付記１８）
前記多重量子井戸活性層として、１００ｎｍ以下の厚さの多重量子井戸活性層を形成することを特徴とする、付記１１〜１７のいずれか１項に記載の半導体光増幅器の製造方法。
【００９１】
（付記１９）
前記井戸層として、同一の半導体材料からなり、かつ、同一の組成の複数の井戸層を形成し、
前記バリア層として、同一の半導体材料からなり、かつ、同一の組成の複数のバリア層を形成することを特徴とする、付記１１〜１８のいずれか１項に記載の半導体光増幅器の製造方法。
【００９２】
（付記２０）
付記１１〜１９のいずれか１項に記載の半導体光増幅器、光機能素子、及び、光導波路を同一基板上に形成することを特徴とする半導体光集積素子の製造方法。
【符号の説明】
【００９３】
１  ｎ−ＩｎＰ基板
２  ｎ−ＩｎＰクラッド層
３  ｉ−ＧａＩｎＡｓＰ−ＳＣＨ層
４  歪ＭＱＷ活性層
４Ａ  井戸層（ＧａＩｎＡｓＰ系井戸層）
４Ｂ  バリア層（ＧａＩｎＡｓＰ系バリア層）
５  ｉ−ＧａＩｎＡｓＰ−ＳＣＨ層
６，６Ａ，６Ｂ  ｐ−ＩｎＰクラッド層
７，７Ａ  ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層
８，８Ａ  メサ構造
９  半絶縁性ＩｎＰブロック層
１０  ｐ−ＩｎＰブロック層
１１  ｎ−ＩｎＰブロック層
２０  ＳＯＡゲートアレイ
２０Ａ，２１  ＳＯＡ
２２  入力チャネル光導波路部
２３  光カプラ部
２４  出力チャネル光導波路部
２５  ｎ−ＩｎＰ基板
２６  半絶縁性ＩｎＰ埋込層
２７  ｎ−ＩｎＰクラッド層
２８  ｉ−ＧａＩｎＡｓＰ光導波路コア層
２９  ｐ−ＩｎＰクラッド層
３０  ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層
３１  ＳｉＯ2マスク
３２  電極（ＳＯＡ電極）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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