(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも二つのサブバンドを有する第１の量子井戸（光増幅領域）と、少なくとも二つのサブバンドを有しかつそのサブバンド間エネルギー差が前記第１の量子井戸のサブバンド間エネルギー差よりも大きな第２の量子井戸（電子励起領域）と、の少なくとも二つの量子井戸が障壁層により結合した単位結合量子井戸構造が、複数層周期的に積層されてなる半導体積層構造と、
この半導体積層構造を含む光導波構造と、
前記半導体積層構造に対しその積層方向に電圧を印加する手段と、
前記光導波構造の一端側から光を入射する手段と、
前記光導波構造の他端側から光を出射する手段と、
前記半導体積層構造に前記第２の量子井戸のサブバンド間吸収帯域内の励起光を注入する手段と、
を具備してなり、
前記半導体積層構造に対しその積層方向に電圧を印加し、かつ前記第２の量子井戸のサブバンド間吸収帯域内の励起光を注入したときに、前記単位結合量子井戸構造の第２の量子井戸の励起準位から障壁層をトンネルして前記単位結合量子井戸構造の下流側に隣接する単位結合量子井戸の第１の量子井戸にキャリアが流れることを特徴とする半導体光機能デバイス。
【請求項２】
前記光導波構造に入射する光は、前記第１の量子井戸のサブバンド間遷移帯域内の信号光であることを特徴とする請求項１記載の半導体光機能デバイス。
【請求項３】
前記光導波構造に入射する光は、前記第１の量子井戸ないし第２の量子井戸のサブバンド間遷移帯域内の信号光と制御光であることを特徴とする請求項１記載の半導体光機能デバイス。
【請求項４】
前記半導体積層構造は、窒化物半導体により構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体光機能デバイス。
【請求項５】
前記第１の量子井戸と前記第２の量子井戸のサブバンド間遷移波長は、いずれも２μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体光機能デバイス。
【請求項６】
前記第１の量子井戸は、前記第２の量子井戸と反対側にステップ状ないし連続的な組成傾斜領域を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体光機能デバイス。
【請求項７】
前記第１の量子井戸の前記第２の量子井戸とは反対側に、前記障壁層より薄い別の障壁層を介して第３の量子井戸が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体光機能デバイス。
【請求項８】
前記励起光は、前記光導波構造の側面から導入されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体光機能デバイス。
【請求項９】
電圧印加時において、前記第２の量子井戸の励起準位は、キャリアの流れの下流側に相当する隣接層の三次元量子状態とトンネリングにより結合した疑似束縛準位となっていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の半導体光機能デバイス。
【請求項１０】
前記第１の量子井戸の基底準位は前記第２の量子井戸の基底準位より、量子井戸を構成している材料のＬＯフォノン・エネルギーに相当するエネルギーより高いレベルにあることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の半導体光機能デバイス。
【請求項１１】
前記第１の量子井戸の基底準位と前記第２の量子井戸の基底準位は結合しており、その共鳴による二つの準位のエネルギー差は３０ｍｅＶ以上あることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の半導体光機能デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号の状態で所定の処理を施す半導体光機能デバイスに係わり、特に半導体光増幅器、ならびに超短光パルス信号により別の信号光の強度，位相，或いは出力先等を制御する非線形光半導体デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
インターネットの普及等に伴う情報量の急増により、基幹伝送系においては近い将来、毎秒数百ギガ〜数十テラビットの大量の情報が光ファイバを飛び交うものと予想されている。このような超大容量の光ネットワークを実現するためには、高性能な光増幅器、１Ｔｂ／ｓオーダーの超高速動作が可能な光スイッチング素子、波長変換素子などの光機能デバイスが必要である。
【０００３】
光通信用の光増幅器としては、希土類をドープした光ファイバ増幅器やファイバ・ラマン増幅器があり、既に広く使われている。一方、光ＬＡＮや装置内等の用途向けには、進行波型半導体光増幅器の導入も検討されている。進行波型半導体光増幅器は、半導体レーザの端面に低反射コートを施して、高レベルの電流を注入してもレーザ発振しないようにしたものであり、その一端面から入射された光はバンド間の誘導放出利得を受けて増幅されて出力される。進行波型半導体光増幅器は、光ファイバ増幅器と比べて遙かに小型で消費電力も小さい。また、希土類ドープの光ファイバ増幅器と比べて波長の自由度も大きい。
【０００４】
しかし、利得帯域全体にわたって出力されるＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）雑音が信号光対雑音比を悪化させることは、応用上の制約条件となっている。また、利得飽和レベルが低いため、十分な出力を得られないという問題もあった。このため、半導体光増幅器が光増幅素子として利用できる応用範囲は極めて限定されていた。
【０００５】
半導体光増幅器は、光増幅器としてよりもむしろ、光スイッチ，波長変換素子等の非線形光デバイスとしての応用が期待されている。強い光パルスが入射すれば利得飽和や屈折率の変調が起こるので、様々な非線形光デバイスとして使用することができる。利得を有する光増幅器を用いた非線形光デバイスは、スイッチング・パワーが低く、高効率なのが特長である。しかし、バンド間遷移に基づく利得変化はキャリア寿命により制限されるので、応答速度は通常数十Ｇｂ／ｓ程度、アシスト光の注入など特殊な工夫をした場合でもせいぜい数百Ｇｂ／ｓまでしか動作させることができなかった。
【０００６】
一方、１Ｔｂ／ｓ級の超高速光スイッチング素子の動作原理として、窒化物半導体のサブバンド間遷移の可飽和吸収の利用が提案されている（例えば、特開平８−１７９３８７公報、N. Suzuki and N. Iizuka, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 36, pp. L1006-1008, 1997年）。サブバンド間の緩和時間はバンド間の緩和時間（キャリア寿命）と比べて３桁程度高速である。特に、窒化物半導体の量子井戸を用いれば、光通信で重要な近赤外域でのサブバンド間遷移を実現できるうえ、ＬＯフォノンと電子の相互作用が大きいのでサブバンド間緩和時間をＩｎＧａＡｓ系と比べて一桁以上速くできる。
【０００７】
例えば、ＧａＮ系量子井戸におけるサブバンド間緩和時間は、室温，光通信波長帯で２００〜４００ｆｓと短いので、そのサブバンド間吸収の飽和を利用すれば、１Ｔｂ／ｓ程度の超高速繰り返しのビット・モード光スイッチング動作も可能になる。また、半導体を利用しているので、小型，軽量，安定な光スイッチを実現でき、量産化が可能なことは言うまでもない。さらに、窒化物半導体は特に強靭な半導体材料であり、温度上昇に対しても強い。
【０００８】
サブバンド間吸収は井戸に垂直な電界成分に対して生じるから、基板面に垂直に光を入射する面型光スイッチへの応用は困難であり、主として光導波型の非線形光デバイスに応用される。光導波路型の非線形光デバイスとして様々な形態が考えられるが、例えばサブバンド間吸収の飽和を利用した可飽和吸収光ゲート・スイッチの場合、吸収飽和を起さない程度のパルス・エネルギーの信号光パルスと、吸収飽和を起す程度の大きなパルス・エネルギーを有する制御光パルスが光導波路に入射される。いずれのパルスも、サブバンド間吸収の生じる波長範囲内にあるものとする。信号光パルスのみが入射した場合は、信号光パルスは吸収されて出力されない。信号光パルスと制御光パルスが同時に入射した場合は、制御光による可飽和吸収で信号光パルスに対する吸収が減るため、信号光は出力される。
【０００９】
このような光ゲート・スイッチで十分な消光比（スイッチのＯＮ／ＯＦＦ比）を得るためには、ＧａＮ系の場合で最低数ｐＪオーダーの制御光パルス・エネルギーが必要であり、これは１ＴＨｚでは数Ｗの平均パワーに相当する。通常、制御光パルスもあるパターンで変調された信号であり、このようなパワーに増幅するのは困難である。
【００１０】
信号光の波長を吸収帯域の端のほうに設定すれば、制御光による可飽和吸収で位相が変調される光位相変調素子として用いることもできる。この位相変調素子を光干渉計の中に組み込むことで、干渉計型光ゲート・スイッチや光路切り替えスイッチとして応用することもできる。また、吸収帯域内の二つの波長の光のビート成分によるサブバンド間キャリア分布の変化を利用した四光波混合型の光スイッチや波長変換素子等にも応用することが可能である。しかし、いずれの場合も強い制御光や励起光が必要であることが、実用化を妨げる最大の課題となっている。
【００１１】
上記サブバンド間遷移の超高速性と半導体光増幅器の高効率性を併せ持つ非線形光デバイスを実現する方法として、サブバンド間遷移を用いた光増幅器を利用することが考えられる。波長３μｍ以上の波長では、サブバンド間遷移を利用した半導体レーザとして、量子カスケード・レーザ（ＱＣＬ）が知られている。ＱＣＬは、電子注入領域と活性領域からなる単位構造を複数周期積層した活性層を光導波構造の中に設け、外部から電圧を印加して活性層にキャリアを注入できるようにしたものである。ＱＣＬについては、例えば、米国特許第 5,457,709 号（発明者 Capasso et al.、出願日1997年３月27日）などに開示されている。
【００１２】
図１４に、ＱＣＬの活性層を構成する単位構造１００の伝導帯バンド構造の例を示す。この単位構造１００は電子注入領域１０１と活性領域１０２から構成されており、電子注入領域１０１と活性領域１０２のいずれも、ＩｎＧａＡｓ井戸層１０３とＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層１０４からなる量子井戸ないし超格子からなる。電子注入領域１０１はチャープ半導体超格子層からなり、図示のようなミニバンド１０５が形成されている。活性領域１０２は通常、多重量子井戸層か半導体超格子層からなるが、ここでは議論を単純化するために単一の量子井戸で表した。この活性領域１０２には、基底準位Ｅ1 、励起準位Ｅ2 の二つのサブバンドが形成されている。
【００１３】
活性層には、電極やクラッド層を介して十分な電界が印加されている。電子は、図の左側から電子注入領域１０１のミニバンド１０５を介して、活性領域１０２の励起準位Ｅ2 に注入される。活性領域１０２の基底準位Ｅ1 から右側の電子注入領域１０１に排出される時定数とミニバンド１０５から励起準位Ｅ2 に電子が注入される時定数のいずれもが、Ｅ2 からＥ1 に電子が緩和する時定数より十分に短いので、十分な電流を流せば活性領域１０２に反転分布を形成でき、誘導放出利得を生じる。端面に高反射コーティング膜を施す等して共振器を構成すれば、レーザ発振を得ることができる。
【００１４】
原理的には、ＱＣＬの端面に低反射コートを施してレーザ発振を抑制すれば、光増幅器として使用できるはずであり、これを応用すれば、超高速かつ高効率な非線形光半導体デバイスが実現できるはずである。ＧａＮ／ＡｌＮ系，ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ系，ＺｎＳｅ／ＢｅＴｅ系などで、光通信に用いられる波長１．３〜１．６μｍ帯でも近赤外波長のサブバンド間遷移が実現されている。しかしながら、ＱＣＬやＱＣＬの構造を利用した光増幅器を近赤外波長で実現することは、以下に示す理由により極めて困難であった。
【００１５】
近赤外サブバンド間遷移を実現するための障壁層は、障壁高さが高く有効質量も大きい傾向があるので、トンネリングによる結合が弱く、超格子を電子が伝搬する時定数が長くなる。しかも、近赤外波長のサブバンド間遷移ではＥ2 のエネルギー・レベルが高くなるので、電子注入領域１０１のミニバンド１０５のエネルギー・レベルも活性領域１０２に接する領域で十分に高くする必要がある。しかし、井戸層の厚さには１モノレーヤの限界があり、この部分の井戸層の組成を障壁層の組成に近づけない限り、このようなレベルを実現することはできない。
【００１６】
障壁層材料に近い組成を持つ半導体層にも、キャリア密度を上げられない、有効質量が大きい、移動度が低い、等の不都合がある。さらに、ミニバンドのレベルを左側の活性領域のＥ1 から右側の活性領域のＥ2 まで持ち上げるためには、電子注入領域の層厚を厚く（超格子を構成する井戸数を非常に多く）しなければならない。このため、電子注入領域の電子輸送時間が長くなり、Ｅ2 への電子注入時間とＥ1 からの電子排出時間が短いという前提条件を満たさなくなってしまう。従って、近赤外域では、サブバンド間の反転分布の形成は非常に困難であった。
【００１７】
また、単位構造一層当たりの電圧降下が大きい（フォトン・エネルギー＋アルファの電圧降下が必要なので、一単位構造あたり１Ｖ近い電圧降下になる）ため、全体として非常に高い電圧が必要になる。さらに、電子注入層の層厚が厚いということは、活性層における活性領域と導波光とのオーバーラップが小さくなるということを意味する。近赤外光は中赤外光より導波モード径が小さくなるから、活性層の厚さをそれほど厚くできない。従って、十分な利得を得るのに必要な単位構造の積層数を確保することが困難になる。
【００１８】
このように、ＱＣＬ構造を利用した光増幅器では、近赤外域で十分な利得が得られず、非線形光半導体デバイスとしても、所要の特性を得ることはできなかった。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、バンド間遷移を利用した従来技術の半導体光増幅器は、ＡＳＥ雑音が大きく、利得飽和レベルが低いため、応用範囲が極めて限定されていた。また、従来技術の半導体光増幅器を用いた非線形光半導体デバイスでは、１Ｔｂ／ｓ級以上の超高速動作が不可能であった。一方、ＧａＮなどのサブバンド間遷移を利用した非線形光デバイスは、高速・広帯域ではあるが、効率が低く、スイッチング・エネルギーが大きいという課題があった。
【００２０】
従来技術の組み合わせであるサブバンド間遷移を利用した光増幅器では、近赤外域で十分な利得が得られないという課題があり、非線形光半導体デバイスとしても超高速かつ高効率の特性を得ることはできなかった。
【００２１】
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、低雑音で飽和レベルの大きな半導体光増幅器や、超高速でかつスイッチング・エネルギーの低い非線形半導体光デバイス等を実現するための半導体光機能デバイスを提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。
【００２３】
即ち、本発明の半導体光機能デバイスは、少なくとも二つのサブバンドを有する第１の量子井戸（光増幅領域）と、少なくとも二つのサブバンドを有しかつそのサブバンド間エネルギー差が前記第１の量子井戸のサブバンド間エネルギー差よりも大きな第２の量子井戸（電子励起領域）と、の少なくとも二つの量子井戸が障壁層により結合した単位結合量子井戸構造が、複数層周期的に積層されてなる半導体積層構造と、この半導体積層構造を含む光導波構造と、前記半導体積層構造に対しその積層方向に電圧を印加する手段と、前記光導波構造の一端側から光を入射する手段と、前記光導波構造の他端側から光を出射する手段と、前記半導体積層構造に前記第２の量子井戸のサブバンド間吸収帯域内の励起光を注入する手段と、を具備してなり、前記半導体積層構造に対しその積層方向に電圧を印加し、かつ前記第２の量子井戸のサブバンド間吸収帯域内の励起光を注入したときに、前記単位結合量子井戸構造の第２の量子井戸の励起準位から障壁層をトンネルして前記単位結合量子井戸構造の下流側に隣接する単位結合量子井戸の第１の量子井戸にキャリアが流れることを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の好ましい実施態様として、以下のようなものがある。
（１）半導体積層構造は、窒化物半導体により構成されていること。
（２）光導波構造に入射する光は、第１の量子井戸のサブバンド間遷移帯域内の信号光であること。これにより、半導体光増幅器を構成すること。
（３）光導波構造に入射する光は、第１の量子井戸ないし第２の量子井戸のサブバンド間遷移帯域内の信号光と制御光であること。これにより、非線形光半導体デバイスを構成すること。
（４）第１の量子井戸の基底準位は第２の量子井戸の基底準位より、量子井戸を構成している材料のＬＯフォノン・エネルギーに相当するエネルギーより高いレベルにあること。
（５）第１の量子井戸の基底準位と第２の量子井戸の基底準位は強く結合しており、そのエネルギー差は３０ｍｅＶ以上であること。
（６）第１の量子井戸と第２の量子井戸のサブバンド間遷移波長は、いずれも２μｍ以下であること。
【００２５】
（７）第１の量子井戸は、第２の量子井戸と反対側にステップ状ないし連続的な組成傾斜領域を有すること。
（８）第１の量子井戸の第２の量子井戸とは反対側に、第１及び第２の量子井戸間の障壁層よりも薄い別の障壁層を介して第３の量子井戸が設けられていること。
（９）第２の量子井戸の励起準位は、キャリアの流れの下流側に相当する隣接層とトンネリングにより結合した擬似束縛準位であること。
（10）単位結合量子井戸構造とこれに隣接する単位結合量子井戸構造の間の層には１ＭＶ／ｃｍ以上の電界がかかっていること。
【００２６】
（11）励起光は連続光であること。
（12）励起光はパルス光で、制御光や信号光の到達に先立って入射されていること。
（13）実施態様（12）において、励起光は光導波構造から導入されること。
（14）励起光は、光導波構造の側面から導入されること。
【００２７】
なお、厳密には、結合量子井戸では第１の量子井戸と第２の量子井戸の両方にまたがってサブバンドが形成される。ここでは議論を簡単化するために、第１（第２）の量子井戸のキャリア存在確率が第２（第１）の量子井戸のキャリア存在確率より大きなサブバンド（基底準位、励起準位）を「第１（第２）の量子井戸のサブバンド（基底準位、励起準位）」と呼ぶことにする。また、第１（第２）の量子井戸が超格子構造である場合は、「サブバンド」を「ミニバンド」と読み替えるものとする。
【００２８】
（作用）
本発明の構成において、電圧が印加され励起光が入射していない状態では、第２の量子井戸の基底準位に大多数のキャリアが分布している。十分な強度の励起光が入射すると、キャリアは第２の量子井戸の励起準位に励起される。励起されたキャリアは、印加電圧による電位降下により、短時間のうちに隣接する単位結合量子井戸構造の第１の量子井戸の励起準位に注入される。
【００２９】
第１の量子井戸の励起準位は、第２の量子井戸の励起準位より低いレベルにある。従って、第１の量子井戸の励起準位の寿命は、ＬＯフォノンの放出を伴う基底準位への緩和過程により支配されている。その緩和レートは、波長２μｍ以下のサブバンド間遷移では、第２の量子井戸の励起準位から第１の量子井戸の励起準位への緩和レート、第１の量子井戸の基底準位から第２の量子井戸の基底準位への緩和レート、のいずれよりも小さい。
【００３０】
従って、電圧印加でキャリアが注入され、励起光による第２の量子井戸の励起レートが十分に大きければ、第１の量子井戸の励起準位の寿命が最も長くなり、第１の量子井戸の基底準位と励起準位の間に反転分布が形成される。その結果、第１の量子井戸のサブバンド間遷移エネルギーに相当する波長帯に誘導放出利得を生じる。その波長帯域内の信号光が入射されれば増幅されて出射される。単位結合量子井戸構造の数を増やし、強い励起光を入射することで、飽和利得を増大させることができる。また、サブバンド間遷移では自発発光が殆ど起こらないので、ＡＳＥ雑音の発生は無視でき極めて低雑音である。（但し、励起光の雑音を拾うので、雑音の小さな励起光が必要である。）サブバンド間遷移エネルギーは井戸幅等に依存しているから、井戸構造の設計を変えることにより、近赤外から中赤外域のいろいろな波長の光増幅器を作製することができる。
【００３１】
また、実施態様（３）のように非線形光デバイスとして動作させる場合における信号光と制御光の波長については、動作のさせ方により様々な組み合わせが考えられる。
【００３２】
例えば、制御光は光増幅領域の利得帯域内でかつ電子励起領域の吸収帯域外にあり、信号光は光増幅領域の利得帯域と電子励起領域の吸収帯域の重なった波長範囲内にあるものとする。この場合、強い制御光パルスが入射していない状態では、信号光パルスは光導波構造を伝搬する際に利得と吸収の両者の影響を受ける。利得の方が吸収より大きくなるように設定しておけば、入力より大きな出力が得られる。光増幅領域の利得を飽和させるのに十分なパルス・エネルギーを持つ制御光パルスが信号光パルスに同期して光導波路を伝搬すると、利得飽和により信号光の増幅が抑制されて吸収の方が大きくなるため、信号光は光導波路伝搬に伴って減衰し、出力されない。この場合は、符号が反転したインバータ動作となる。
【００３３】
波長配置を変更して利得と吸収の関係を反転させれば、吸収飽和型の非反転動作にも適用できる。この場合でも、制御光ないし信号光に対して光増幅領域の利得が寄与するので、高効率化ないし低スイッチング・エネルギー化が図れる。
【００３４】
このように、制御光パルスの有無により信号光パルスに対する光導波路の透過率を変化させることができる。或いは、この変化に伴って、信号光パルスの位相を変化させることもできる。この変化に係わる現象は全て高速であるから、超高速の光制御が実現される。従来のサブバンド間遷移の可飽和吸収のみを利用した非線形光半導体デバイスと異なり、制御光、信号光、或いはその両方に対する利得があるため、高効率でスイッチング・エネルギーも低減できる。
【００３５】
なお、実施態様（１）の窒化物半導体においては、サブバンド間緩和時間は近赤外波長域でも数百ｆｓ、ＬＯフォノン・エネルギーに相当する近接サブバンド間の緩和時間やサブバンド内緩和時間は数十ｆｓ以内と短い。また、キャリア−キャリア散乱時間もＧａＡｓ系などと比べて一桁短い数十ｆｓオーダーである。従って、注入電流と励起光強度が十分に大きければ、光増幅により励起準位のキャリアが不足してもすぐに近接準位からキャリアが補充されるので、利得飽和レベルは高い。また、単位量子井戸構造の数を増やすことにより、利得飽和レベルを増大させることができる。但し、単位量子井戸構造の数が多いほど、必要な印加電圧と励起光強度は大きくなる。非線形光デバイスに応用した場合、関連する緩和過程の時定数がいずれもサブピコ秒なので、毎秒１テラビット以上の超高速光スイッチを実現できる。
【００３６】
実施態様（４）の場合は、第１の量子井戸の基底準位にある電子は、ＬＯフォノン放出を伴って短い時間（窒化物半導体で１００ｆｓ程度）の間に第２のサブバンドの基底準位に緩和する。
【００３７】
実施態様（５）のように二つの量子井戸が強く結合している状態では、二つの基底サブバンドの包絡線関数の二乗は、いずれも第１の量子井戸と第２の量子井戸の両者にピークを有する。二つのサブバンドの電子の位相差により、主として第１の量子井戸にキャリアが存在する状態や第２の量子井戸にキャリアが存在する状態が生じる。誘導放出により第１の量子井戸の励起サブバンドから二つの基底サブバンドに落ちた瞬間にはキャリアは第１の量子井戸に存在しているが、共鳴する二つの準位のエネルギー差ΔＥで決まる量子ビートの周期（ｈ／ΔＥ）の半分の時定数で第２のサブバンドの基底準位に移動する。実際には、量子ビートは位相緩和時間のオーダー（窒化物半導体で１０〜３０ｆｓ、ＡｓやＰを主要構成元素とする半導体で１００ｆｓオーダー）で減衰するが、井戸間のキャリア移動速度はおおむねこの時定数から見積もることができる。井戸間の結合が強く、ΔＥが３０ｍｅＶ以上なら、この時定数は高々１００ｆｓである。
【００３８】
第１の量子井戸の励起準位の寿命は、波長が短いほど長くなる。従って、実施態様（６）のようにサブバンド間遷移波長が２μｍ以下なら、この寿命を他の関係する時定数より長く設定すること、即ち反転分布を形成することが容易になる。
【００３９】
実施態様（７）のように、第１の量子井戸の第２の量子井戸と反対側にステップ状ないし連続的な組成傾斜領域（中間組成層）を設けることにより、容易に第１の量子井戸のサブバンド間エネルギーを第２の量子井戸のサブバンド間エネルギーより小さくすることができる。
【００４０】
実施態様（８）の構造においても、第１の量子井戸と第３の量子井戸は強く結合しているので、第３の量子井戸の基底準位をオリジンとするサブバンドが、第１の量子井戸と第３の量子井戸からなる結合量子井戸の最低励起準位となる。そして、この結合量子井戸を本来の第１の量子井戸とみなせば、容易に第１の量子井戸（第１の量子井戸と第３の量子井戸からなる結合量子井戸）のサブバンド間エネルギーを第２の量子井戸のサブバンド間エネルギーより小さく設定することができる。
【００４１】
実施態様（９）の如く第２の量子井戸の励起準位がキャリアの流れの下流側に相当する隣接層とトンネリングにより結合した擬似束縛準位であれば、第２の量子井戸の励起準位に励起されたキャリアを隣接する下流側の単位結合量子井戸の第１の量子井戸の励起準位に注入する時間を短縮できる。
【００４２】
また、実施態様（10）のように単位結合量子井戸構造とこれに隣接する単位結合量子井戸構造の間の層に１ＭＶ／ｃｍ以上の電界がかかっていても、第２の量子井戸の励起準位に励起されたキャリアを隣接する下流側の単位結合量子井戸の第１の量子井戸の励起準位に注入する時間を短縮できる。
【００４３】
実施態様（11）のように、励起光がＣＷ光であれば、時間変動の小さな安定動作が可能である。
【００４４】
実施態様（12）のように、励起光がパルス光であれば、励起光の平均パワーを小さく抑えることができる。但し、信号光パルスや制御光パルスが到着する前に反転分布を形成するためには、励起光パルスが制御光パルスや信号光パルスより先に到達していることが必要である。励起光が前記制御光パルスと同期し、かつ制御光パルスより幅の広い周期的な光パルスであれば、連続的に励起する場合と比べて励起光の平均パワーを低く抑えることができ、かつ制御光パルスや信号光パルス到達時に十分な利得を得ることができる。
【００４５】
励起光がパルス光の場合、実施態様（13）のように励起光パルスが光導波路から導入されれば、パルス幅を制御光パルスより少し広い程度に抑えることができ、効率的である。
【００４６】
実施態様（14）のように、励起光を光導波路の側面から導入する方法も考えられる。この場合は、第２の量子井戸を光導波路の全体にわたってほぼ均一に励起することが可能で、光導波路を長くして制御光パルスと信号光パルスの相互作用長を長くすることができる。励起光は制御光パルスや信号光パルスが光導波路を伝搬している間照射されていればよく、この条件を満たせばパルス光であっても連続光であってもかまわない。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００４８】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる半導体光増幅器の主な構成要素を模式的に示す斜視図である。この光半導体光増幅器２０は、サファイア基板１（０００１）面上に積層された下部窒化物半導体層２、この下部窒化物半導体層２上に窒化物半導体からなる半導体積層構造３と上部窒化物半導体層４が順に積層されたメサ状の光導波路５、下部窒化物半導体層２上に前記光導波路５に接して形成されたポリイミド膜６、このポリイミド膜６と光導波路５の上に形成され上部窒化物半導体層４と電気的に接続された上部電極７、ならびに下部窒化物半導体層２に電気的に接続された下部電極８などからなる。素子長は約４００μｍである。
【００４９】
窒化物半導体層２，３，４はウルツ鉱型で、ここでは表面は III族極性面となっている。結晶成長の条件によっては微小な極性反転ドメインが形成されることもあるが、III 族極性面が支配的である限り大きな影響はない。なお、Ｖ族極性で作成した場合は、以下の説明で電流，電界の向きを逆にすればよい。窒化物半導体層にはこの他にも転位等の欠陥が多数存在するが、本発明のようにサブバンド間遷移を利用したデバイスでは、バンド間遷移を利用した発光デバイスにおける非発光再結合センターのような致命的な影響はもたらさない。以下の説明では、量子井戸の大部分は±１モノレーヤ程度の揺らぎで作製されていることを前提とするが、発明の作用・効果に本質的な影響をもたらさない上記のような結晶欠陥の存在は無視することとする。
【００５０】
上部電極７には下部電極８に対して負の電圧が印加され、その結果、上部電極７から光導波路５の上部窒化物半導体層４，窒化物半導体積層構造３，下部窒化物半導体層２を通って、下部電極８へと電子が流れる。
【００５１】
光導波路５に入射される光９は、波長１．４５μｍ帯の信号光である。光導波路５の他方の端からは、出射光１０が取り出される。下部窒化物半導体層２はスラブ光導波路となっており、図１の右側面から波長０．９８μｍの低雑音の励起光１１が入射され、光導波路５に導かれる。いずれの光も、サブバンド間遷移が許容される基板（井戸層）に垂直な方向に偏波している。
【００５２】
図２は、この半導体光増幅器２０の断面層構造を模式的に示す図である。下部窒化物半導体層２は、厚さ０．１５μｍのアンドープＡｌＮ層２２、厚さ０．３μｍの第１のｎ型ＧａＮ層２３、および厚さ０．０５μｍの第１のＡｌＧａＮ組成傾斜層２４からなる。第１のＡｌＧａＮ組成傾斜層２４は、下から上に向かってＧａＮに近い組成からＡｌＮに近い組成へとステップ状に変化するように形成されている。第１のＡｌＧａＮ組成傾斜層２４の上には、窒化物半導体積層構造３と上部窒化物半導体層４がメサ状に積層されており、このメサ構造によりリッジ型の光導波路５が規定されている。光導波路５のメサ幅は１．５μｍである。上部窒化物半導体層４は、下から上に向かって組成がＡｌＮに近い組成からＧａＮに近い組成へとステップ状に変化する厚さ０．０５μｍの第２のＡｌＧａＮ組成傾斜層２５、及び厚さ０．１μｍの第２のｎ型ＧａＮ層２６から構成される。ｎ型ＧａＮ層２３，２６には、Ｓｉが１×１０20ｃｍ-3程度ドープされている。
【００５３】
半導体積層構造３は、実質的に同じ構造（結晶成長に起因する多少の変動は許容するものとする）の結合量子井戸構造３１が３０周期積層されてなる。図３は、この結合量子井戸構造３１の三周期分の伝導帯バンド構造を説明する図である。III 族極性では、左側が表面側、右側が基板側である。なお、Ｖ族極性の場合は、逆になる。この結合量子井戸構造３１は、二つの第１のアンドープＡｌＮ障壁層３２，３２Ｒの間に形成された、厚さ約０．７５ｎｍのアンドープＡｌ0.65Ｇａ0.35Ｎ井戸中間層３３、厚さ約０．７５ｎｍの第１のｎ型ＧａＮ井戸層３４、厚さ約１ｎｍの第２のアンドープＡｌＮ障壁層３５、及び厚さ約１ｎｍの第２のｎ型ＧａＮ井戸層３６からなる。第１のアンドープＡｌＮ障壁層３２の厚さは１．８ｎｍで、一周期の厚さは５．３ｎｍである。ｎ型ＧａＮ井戸層３４，３６には、Ｓｉが５×１０19ｃｍ-3程度ドープされている。
【００５４】
左側の第１のアンドープＡｌＮ障壁層３２、アンドープＡｌ0.65Ｇａ0.35Ｎ井戸中間層３３、第１のｎ型ＧａＮ井戸層３４、及び第２のアンドープＡｌＮ障壁層３５からなる第１の量子井戸３７は、光増幅領域として働く。第２のアンドープＡｌＮ障壁層３５、第２のｎ型ＧａＮ井戸層３６、及び右側の第１のアンドープＡｌＮ障壁層３２Ｒからなる第２の量子井戸３８は、電子励起領域として働く。第１のアンドープＡｌＮ障壁層３２Ｒは、左側の結合量子井戸構造３１から右側の隣接する結合量子井戸構造３１Ｒへ電子を注入するための電子注入領域としても機能する。
【００５５】
主面が（０００１）面のウルツ鉱型窒化物半導体ヘテロ構造には、ピエゾ電気効果と自発分極により大きな電界が生じる。この電界は、ＡｌＮとＧａＮで逆向きである。さらに、上部電極７と下部電極８の間に外部から電圧が印加され、第１の量子井戸３７と第２の量子井戸３８のそれぞれの第１サブバンドＥ2 ，Ｅ1 が適度に結合するように調整されているものとする。このとき、ＡｌＮ障壁層３２，３５、Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ｎ井戸中間層３３、及びｎ型ＧａＮ井戸層３４，３６にかかっている電界は、それぞれ約−４．８５ＭＶ／ｃｍ，約−１ＭＶ／ｃｍ，約６．１５ＭＶ／ｃｍとなっている。
【００５６】
全体としては、図３の左側の結合量子井戸ほど電子に対するポテンシャルが高く、電子は図の左側から右側へ向かって流れる。結合量子井戸３１の一周期当たりの電圧降下は約０．３５Ｖで、３０周期で約１０Ｖの電圧降下になる。
【００５７】
図３には、この結合量子井戸構造３１に形成されるサブバンドＥ1 ，Ｅ2 ，Ｅ3 ，Ｅ4 と、そのそれぞれの包絡線関数の二乗の形状を模式的に示してある。サブバンドＥ1 とサブバンドＥ2 は強く結合しており、いずれも二つの量子井戸３７，３８にほぼ等確率で電子が分布する基底準位である（以後、Ｅ1 とＥ2 をまとめて、第１の量子井戸と第２の量子井戸の共通の「基底準位」と考える。）。サブバンドＥ1 とＥ2 のエネルギー差は約３０ｍｅＶ（場所による不均一性で多少の変動はある）であり、その量子ビートの周期は約１４０ｆｓである。サブバンドＥ3 は、主として第１の量子井戸に束縛された励起準位（以後、「第１の量子井戸の励起準位」と呼ぶ。）である。サブバンドＥ4 は、主として第２の量子井戸に弱く束縛された励起準位（以後、「第２の量子井戸の励起準位」と呼ぶ。）で、右側の第１のアンドープＡｌＮ障壁層３２の三次元量子状態とトンネリングにより結合している。
【００５８】
基底準位Ｅ1 ，Ｅ2 と第１の量子井戸の励起準位Ｅ3 との間の遷移波長は約１．１μｍ、基底準位Ｅ1 ，Ｅ2 と第２の量子井戸の励起準位Ｅ4 との間の遷移波長は約１．４１μｍである。（ヘテロ界面の組成変化が急峻とした仮定した場合の遷移波長の計算値は、それぞれ約１μｍと約１．３μｍであるが、井戸層厚が薄い量子井戸では界面の組成ゆらぎの影響で計算値より長めの波長になる傾向がある。）各サブバンド間の遷移エネルギーは、膜厚の揺らぎ等により場所により若干の変動があり、これは吸収スペクトル幅を広げる原因となる。
【００５９】
本実施形態では、第２のｎ型ＧａＮ層２６から半導体積層構造３の最初（図１、図２では上端、図３では左端に相当）の結合量子井戸層３１への電子の注入は、第２のＡｌＧａＮ組成傾斜層２５の組成傾斜と電界によるポテンシャルの傾斜により実現されている。もちろん、第２のＡｌＧａＮ組成傾斜層２５を用いる代わりに、その基底サブバンド（Ｅ1 に相当）が隣接するｎ型ＧａＮ層２６と結合した第２の量子井戸と類似構造の量子井戸を設けて、励起光により基底サブバンドの電子をその励起サブバンド（第２の量子井戸のＥ4 に相当）に励起することによっても、電子の注入が可能である。
【００６０】
図３右端の結合量子井戸構造の励起準位Ｅ4 はｎ型ＧａＮ層２３より電子に対するポテンシャルが高いので、電子注入の観点からは第１のＡｌＧａＮ組成傾斜層２４は不要である。本実施形態では、第１のＡｌＧａＮ組成傾斜層２４は、励起光を導波するスラブ光導波路のクラッドとして作用する。
【００６１】
電界により左側の第１のアンドープＡｌＮ障壁層３２から第１の量子井戸３７に注入された電子は、励起準位Ｅ3 に捕獲される。励起準位Ｅ3 から基底準位Ｅ1 及びＥ2 へのＬＯフォノン放出を伴う緩和時間は約５００ｆｓである。Ｅ1 とＥ2 の包絡線関数の二乗はほぼおなじ形状なので、Ｅ1 とＥ2 にほぼ等確率で緩和する。Ｅ1 とＥ2 の干渉で電子は二つの量子井戸を行ったり来たりする、いわゆる量子ビートを生じる。Ｅ1 とＥ2 のエネルギー差ΔＥが３０ｍｅＶのときの量子ビートの周期（ｈ／ΔＥ、但しｈはプランクの定数）は約１４０ｆｓなので、第１の量子井戸３７で緩和した電子は、７０ｆｓ後には殆ど第２の量子井戸３８に移動している。
【００６２】
この電子は、スラブ光導波路を介して光導波路５へ導入された励起光により、直ちに第２の量子井戸の励起準位Ｅ4 に励起される。励起準位Ｅ4 は右側の第１のアンドープＡｌＮ障壁層３２Ｒの三次元量子状態と結合している。励起準位Ｅ4 に対する実効的な障壁は低いので、励起された電子は１００ｆｓ位の間に第１のアンドープＡｌＮ障壁層３２Ｒに逃げ出し、強い電界により右側の隣接する結合量子井戸３１Ｒの第１の量子井戸３７Ｒの励起準位Ｅ3 に注入される。
【００６３】
励起準位Ｅ4 に励起された電子の一部は第１の量子井戸３７の励起準位Ｅ3 に緩和する。また、第１のアンドープＡｌＮ障壁層３２から注入された電子の一部は直接第２の量子井戸３８の励起準位Ｅ4 に捕獲される。しかし、半導体積層構造３のトータル厚さ（３０周期で１５９ｎｍ）が導波モード・サイズ（〜μｍ）に比べて十分薄いので、結合量子井戸構造毎の光強度の差異は小さく、それぞれの結合量子井戸構造３１における電子の動きはバランスしている。従って、全体として電子は左側の結合量子井戸構造から右側の結合量子井戸構造へと流れ、特定の結合量子井戸構造に電子が蓄積したり空乏化したりすることはない。
【００６４】
十分に強い励起光が入射している場合、基底準位Ｅ1 ，Ｅ2 から励起準位Ｅ4 に電子が励起されるレートと、右側の第１の量子井戸３７Ｒの励起準位Ｅ3 に電子が注入されるレートは、いずれも励起準位Ｅ３から基底準位Ｅ1 ，Ｅ2 へ電子が緩和するレートより大きい。従って、励起準位Ｅ3 の電子密度の方が基底準位Ｅ1 ，Ｅ2 の電子密度より大きい反転分布の状態が作り出される。この結果、第１の量子井戸（光増幅領域）３７では波長１．４μｍ付近に利得を生じる。第２の量子井戸（電子励起領域）３８の光吸収は、励起光により部分的に吸収が飽和した状態になる。
【００６５】
図４は、光増幅領域３７の利得スペクトル、励起光が入射した際の電子励起領域３８の吸収スペクトル、ならびに入射光９，１１の波長配置の関係を説明する図である。励起光は電子励起領域３８で吸収されるが、光増幅領域３７では吸収されない。信号光は、電子励起領域３８の吸収を殆ど受けず、光増幅領域３７の利得により増幅される。励起光パワーと注入電流が十分に大きく、入力信号光のレベルが十分に低ければ、利得飽和は生じない。サブバンド間遷移では自発発光確率が極めて低いので、ＡＳＥ雑音の発生は無視でき、極めて低雑音の光増幅が実現される。
【００６６】
光励起を利用して、各結合量子井戸３１における電圧降下を小さく抑えているので、印加電圧を比較的小さく抑えることができる。（仮に光励起を行わない量子カスケード・レーザと類似の構造でこのような機能を実現することができたとしても、所要電圧は３倍以上になってしまう。）量子カスケード・レーザ類似構造と比べて一周期の厚さを薄くできるので、導波モードの光電界とのオーバーラップも大きく、厚さ方向の光強度の不均一の影響も小さく、効率的である。
【００６７】
本実施形態の半導体光増幅器は、様々な変形が可能である。例えば、信号光パワーが増大している出射端側で利得飽和を生じさせないために、出射端側で励起光パワーが大きくなるように調整しておいてもよい。或いは、側面からの入射１１に加えて出射端側からも励起光を注入するという使い方もできる。信号光がパルス光の場合は、励起光を信号光パルスに同期したパルス光として、励起光の平均パワーを低減することができる。この場合、光導波路５を伝搬するパルス信号光を完全にカバーするタイミングで励起光パルスを入射する必要がある。井戸幅等の設計を変更すれば、励起光波長や信号光波長を変更することも可能である。
【００６８】
（第２の実施形態）
第１の実施形態の半導体光増幅器は、そのまま非線形半導体光デバイス（利得飽和形光ゲート・スイッチ）として用いることができる。入力光を除けば、各部の構造，バンド構造，機能等は第１の実施形態の半導体光増幅器と同じなので、その構成の説明は省略する。
【００６９】
第２の実施形態における非線形半導体光デバイスの光導波路５に入射される光９は、波長１．４８μｍ，パルス幅約２００ｆｓ，繰り返し１６０Ｇｂ／ｓの制御光パルスと、波長１．３μｍ，パルス幅約１００ｆｓ，繰り返し１６０Ｇｂ／ｓの信号光パルスである。下部窒化物半導体層２はスラブ光導波路となっており、図１の右側面から波長０．９８μｍ，幅約３ｐｓ，繰り返し１６０ＧＨｚの励起光パルス１１が入射され、光導波路５に導かれる。いずれの光も、サブバンド間遷移が許容される基板（井戸層）に垂直な方向に偏波している。
【００７０】
光導波路５に制御光パルスが入力されず、十分に強い励起光強度が入射している場合、基底準位Ｅ1 ，Ｅ2 から励起準位Ｅ4 に電子が励起されるレートと、右側の第１の量子井戸３７Ｒの励起準位Ｅ3 に電子が注入されるレートは、いずれも励起準位Ｅ3 から基底準位Ｅ1 ，Ｅ2 へ電子が緩和するレートより大きい。従って、励起準位Ｅ3 の電子密度の方が基底準位Ｅ1 ，Ｅ2 の電子密度より大きい反転分布の状態が作り出される。この結果、第１の量子井戸（光増幅領域）３７では波長１．４μｍ付近に利得を生じる。第２の量子井戸（電子励起領域）３８の光吸収は、励起光により部分的に吸収が飽和した状態になる。
【００７１】
この非線形光半導体デバイスは１６０Ｇｂ／ｓで動作する。制御光パルスは、信号光パルスに重なるようなタイミングで入射される。励起光パルスは、光導波路５のどの位置においても制御光パルスに重なるようなタイミングで入射される。励起光のパルス幅は３ｐｓであり、長さ４００μｍの光導波路５を信号光パルスと制御光パルスが伝搬する時間（約２．８ｐｓ）より広い。制御光パルスと信号光パルスは変調されているが、励起光パルスは６．２５ｐｓ毎に周期的に入射される。
【００７２】
図５は、光増幅領域３７の利得スペクトル、励起光が入射した際の電子励起領域３８の吸収スペクトル、ならびに入射光９，１１の波長配置の関係を説明する図である。励起光は電子励起領域３８で吸収されるが、光増幅領域３７では吸収されない。制御光パルスは、電子励起領域３８の吸収を殆ど受けない。入射端近傍で制御光パルスのフロント・エッジが増幅されるが、利得飽和のため制御光パルスの後ろ側は、殆ど増幅されないか、減衰する。従って、光導波路５を伝搬するにつれて制御光のパルス幅は狭まり、スペクトルも広がる。しかし、どの位置においても制御光パルスのフロント・エッジは増幅されるので、制御光パルスは全体としては増幅を受けて光導波路５の奥の方まで伝播する。また、それに続く利得飽和の影響は、隣接する左側の結合量子井戸構造からＥ3 に電子が供給される時定数と量子ビートと励起光により第１の量子井戸の基底準位から電子が排出される時定数のオーダー（いずれも１００ｆｓ前後）だけ継続する。従って、光導波路５全体で信号光パルスに対する利得を飽和させることができる。
【００７３】
制御光パルスがない場合、信号光パルスは光増幅領域３７の利得と電子励起領域３８の損失の両方の影響を受けるが、前者の方が大きいので増幅されて出射する。増幅率は、注入電流と励起光の強度に強く依存する。高効率の増幅を実現するためには、注入電流と励起光のレベルをうまくバランスさせる必要がある。但し、バンド間遷移を利用した光増幅器と異なり、サブバンド間遷移では自発発光が殆ど起こらないので、利得スペクトル帯域内のＡＳＥ雑音は無視できる。
【００７４】
一方、制御光パルスが入射された場合、Ｅ3 に溜まっていた電子が基底準位Ｅ1 ，Ｅ2 に落ちることで光増幅が行われるので、光増幅領域３７の利得は飽和する。制御光パルスが強い場合は、瞬間的には損失側に振り込まれるが、平均的には利得の小さな状態になる。従って、光増幅領域３７のトランジェントな吸収や電子励起領域３８の吸収により信号光パルスは光導波路５を伝搬する間に吸収され、光導波路５から出力されない。
【００７５】
本実施形態の非線形光半導体デバイスによれば、制御光パルスは少なくともフロント・エッジが増幅されるので、可飽和吸収を用いた光ゲートと比べて一桁以上小さいパルス・エネルギー（＜１ｐＪ）でスイッチングが可能になる（符合は反転するので、インバータ動作となる。）。制御光パルスがない場合、信号光パルスは入力より増幅されて出力され、しかもＡＳＥ雑音の付加がない。（制御光のスペクトルが広がるので、制御光パルスのクロストークを避けるために、制御光と信号光の波長はある程度離しておく必要がある。）信号光パルスは制御光の有無に応じて利得または損失を受けるので、デバイス長が短くても消光比を大きくとれる。また、時定数が１００ｆｓオーダーの高速現象のみ利用しているので、高速性も損なわれない。
【００７６】
図６は、側面から均一に励起光を注入するために０．９８μｍ帯の歪ＩｎＧａＡｓパルス光源５０を集積化した構成の例である。このパルス光源５０は、モード同期レーザ５１とテーパ型光増幅器５２を集積化したものである。モード同期レーザ５１は、利得領域５３，可飽和吸収領域５４，チューニング領域５５等から構成される。それぞれの領域には電極５６が形成され、裏面には共通電極が形成されている。後ろ側の端面からサブハーモニック・シンクロナス・モード同期のための同期光を入射することができるようになっており、制御光パルスや信号光パルスに同期した励起光パルスを出力することができる。
【００７７】
この図の例ではパルス光源５０は光導波路５と垂直に配置されているが、光導波路５におけるパルス伝播遅延を考慮して、光導波路５の入射端側ほど励起光パルスが早く到着するように傾斜させて配置させることも可能である。また、モード同期レーザ５１と光増幅器５２の間に光分岐部を設け、分岐ごとに遅延量の異なる光遅延導波路と光増幅器を設け、複数の光増幅器から光導波路５の入射端側ほど早く励起光パルスが出射するように構成することもできる。
【００７８】
本実施例は、そのほかにも発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形、応用が可能である。
【００７９】
（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係わる、非線形光半導体デバイス７４を用いたマッハツェンダ干渉計型超高速光分岐スイッチの主な構成を示す模式図である。ここに用いられている非線形光半導体デバイス７４の構成は、前記図１、図２に示した第１の実施形態の半導体光増幅器２０の構成と同様なので、図を用いた詳細な説明は省略する。但し、側面からの励起光の注入はない。層構造は若干異なるが、その詳細は後で説明する。
【００８０】
このマッハツェンダ干渉計型光スイッチは、石英光導波路６１上に受動光導波路６２により接続された光素子が集積化されてなる。光入出力ポートとして、信号光入力ポート６３、励起光・制御光入力ポート６４、第１の信号光出力ポート６５、第２の信号光出力ポート６６、励起光・制御光出力ポート６７の五つがある。信号光入力ポート６３からは、波長１．３５μｍ，パルス幅１００ｆｓ，繰り返し１Ｔｂ／ｓの信号光パルスが入力される。制御光入力ポート６４からは、波長１．５５μｍ，パルス幅２００ｆｓ，繰り返し１Ｔｂ／ｓの制御光パルスと、波長１．２μｍ，パルス幅５００ｆｓ，繰り返し１ＴＨｚの励起光パルスとが、ほぼ同時に入射される。制御光パルスは信号光パルスに重なるようなタイミングで入射するように設定されている。励起光パルスは、制御光パルスと信号光パルスに重なるよう、かつ制御光パルスより早いタイミングで入射される。制御光パルスと信号光パルスは変調されている。励起光パルスは周期的なクロック・パルスである。
【００８１】
信号光入力ポート６３から入力された信号光パルスは、光カプラ６８により所定の分岐比で第１の分岐７１と第２の分岐７２に分割される。第１の分岐７１に分岐した信号光パルスは、波長カプラ７３により制御光入力ポート６４から入力された制御光パルスと合波され、非線形光半導体デバイス７４に導かれる。
【００８２】
非線形光半導体デバイス７４は、所定のパワーの制御光パルスが入力されたときに、信号光パルスの透過率を殆ど変化させずに位相がπシフトするように設計されている。その動作については後述する。
【００８３】
非線形光半導体デバイス７４を出力された信号光パルスは、波長カプラ７５により制御光パルスや励起光パルスと分離され（励起光パルスは殆ど透過しない）、１：１光カプラ６９において第２の分岐７２を通ってきた参照光パルスと干渉させられる。二つの分岐７１，７２の光路長は、信号光パルスの伝搬遅延が同じになるように設定されている。入力側の光カプラ６８の分岐比は、１：１光カプラ６９において二つのパルス強度が概ねバランスするように設定されているが、第２の分岐７２に設けられた光強度変調器７６により微調整ができるようになっている。第２の分岐７２に設けられた光位相変調器７７は、制御光パルスが入射されていない状態で信号光パルスが第１の信号光出力ポートのみから出力されるように調整されており、制御光パルスにより信号光パルスがπシフトを受けた場合は第２の信号光出力ポート６６から出力される。
【００８４】
波長カプラ７５で分離された制御光パルスは制御光出力ポート６７から出力される。分離しきれずに信号光出力ポートに出力される制御光波長の漏れ成分は、波長フィルタにより除くことが可能である。
【００８５】
非線形光半導体デバイス７４の非線形光半導体層（第１の実施形態の半導体積層構造３に相当）は、実質的に同じ構造の結合量子井戸構造８１が１０周期積層されてなる。図８は、この結合量子井戸構造８１の三周期分の伝導帯バンド構造を説明する図である。この結合量子井戸構造８１は、二つの第１のアンドープＡｌＮ障壁層８２，８２Ｒの間に形成された、厚さ約０．７５ｎｍのアンドープＡｌ0.65Ｇａ0.35Ｎ井戸中間層８３、厚さ約０．７５ｎｍの第１のｎ型ＧａＮ井戸層８４、厚さ約０．７５ｎｍの第２のアンドープＡｌＮ障壁層８５、及び厚さ約１ｎｍの第２のｎ型ＧａＮ井戸層８６からなる。第１のアンドープＡｌＮ障壁層８２の厚さは１．２５ｎｍである。ｎ型ＧａＮ井戸層８４，８６には、Ｓｉが５×１０19ｃｍ-3程度ドープされている。一周期の厚さは４．５ｎｍで、１０周期の合計厚は４５ｎｍである。
【００８６】
左側の第１のアンドープＡｌＮ障壁層から第２のアンドープＡｌＮ障壁層までの層８２，８３，８４，８５が光増幅領域として働く第１の量子井戸８７を構成しており、第２のアンドープＡｌＮ障壁層から右側の第１のアンドープＡｌＮ障壁層までの層８５，８６，８２Ｒが電子励起領域として働く第２の量子井戸８８を構成している。第１のアンドープＡｌＮ障壁層３２は、電子注入領域としても機能する。ＡｌＮ障壁層８２，８５、Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ｎ井戸中間層８３、及びｎ型ＧａＮ井戸層８４，８６にかかっている電界は、それぞれ約−５．９ＭＶ／ｃｍ，約−２．０５ＭＶ／ｃｍ，約５．１ＭＶ／ｃｍである。結合量子井戸８１一周期当たりの電圧降下は約０．４４Ｖで、１０周期で約４．４Ｖの電圧降下になる。
【００８７】
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、第１の量子井戸８７と第２の量子井戸８８のそれぞれの基底準位Ｅ2 ，Ｅ1 のエネルギー差ΔＥが８９ｍｅＶと、ＬＯフォノンのエネルギーに共鳴するように設定されている点である。サブバンドＥ2 とＥ3 は主に第１の量子井戸８７に束縛されており、サブバンドＥ1 とＥ4 は主に第２の量子井戸８８に束縛されている。第１の実施形態の結合量子井戸構造３１と比べて第２のＡｌＮ障壁層８５が薄いので、基底準位Ｅ1 ，Ｅ2 、励起準位Ｅ3 ，Ｅ4 のいずれも、もう一方の量子井戸にもかなりの存在確率を有している。
【００８８】
励起準位Ｅ3 から基底準位Ｅ2 へのＬＯフォノン放出を伴う緩和時間は約５００ｆｓである。第１の量子井戸８７の励起準位Ｅ3 から基底準位Ｅ2 に緩和、或いは発光により遷移した電子は、１０ｆｓ程度の時間でＬＯフォノンを１個放出して第２の量子井戸８８の基底準位Ｅ1 に緩和する。量子ビートを利用した第１の実施形態の結合量子井戸構造３１では、励起光によりＥ4 に励起しきれなかった電子がさらに７０ｆｓ後に第１の量子井戸３７に戻ってしまう恐れもあったが、本実施形態の結合量子井戸構造８１では、このような恐れもない。８９ｍｅＶのエネルギー差は熱エネルギーより大きいので、熱的に電子がＥ2 に戻る確率も低い。従って、第１の実施形態の結合量子井戸構造３１と比べて、Ｅ2 からの電子の排出が高速化され、Ｅ2 ，Ｅ3 間の反転分布がさらに形成されやすくなる。その他の点では、結合量子井戸構造８１の作用は概ね第１の実施形態の結合量子井戸構造３１と同様なので、説明を省略する。
【００８９】
励起光パルスが入射する前は、電子は大部分がＥ１に溜まっており、電流は殆ど流れない。励起光パルスが入射されると、Ｅ1 に溜まっていた電子の半数以上はＥ4 を介してＥ3 に移動する。励起光パルスを制御光パルスより少し早く入射することにより、制御光パルスが到着する前に反転分布が形成される。本実施例では、励起光パルスが制御光パルスや信号光パルスと同時に伝搬するので、励起光のパルス幅を短くできる。この結果、励起光を側面から入射した場合より、繰り返し動作速度を上げることができる。但し、光導波路全体に励起光を伝搬させるため、強い励起が必要である。
【００９０】
図９は、光増幅領域８７で十分な利得が得られるレベルの電流が注入され、励起光パルスが入射された直後の、光増幅領域８７の利得、電子励起領域８８の吸収、及び入射光の波長配置の関係を説明する図である。光増幅領域８７の利得ピーク波長は１．４５μｍ、電子励起領域８８の吸収ピーク波長は１．２５μｍである。第１の実施形態と比べてＥ4 の閉じ込めが弱いため、電子励起領域８８の吸収スペクトル幅が、第１の実施形態の場合（図４、図５）と比べて広くなっている。制御光パルスがない場合、信号光パルスは光増幅領域８７の利得と電子励起領域８８の損失がほぼバランスしているので、入力とほぼ同じパワーで出力される。電子励起領域８８の励起準位は閉じ込めが弱いので、スペクトルも広くなっている。このため、制御光パルスが入射されると、光増幅領域８７の利得飽和と電子励起領域８８の吸収飽和が同時に生じる。その結果、信号光パルスに対する利得も損失も小さくなり、やはり入力とほぼ同じパワーで出力される。制御光波長には正味の利得があるので、サブバンド間吸収を用いた従来の可飽和吸収光ゲートと比べて小さいパルス・エネルギーでスイッチングを行うことができる。
【００９１】
図１０は、励起光が入射された場合の屈折率変化の波長依存性を説明する図である。制御光パルスが入射されると、光増幅領域においても電子励起領域においても信号光波長で屈折率が減少するので、大きな位相シフトが得られる。以上の結果、制御光パルスの入射により、信号光パルスの強度を大きく変化させずに位相をπシフトできるので、前述の図６の干渉計型の構成において、信号光出力ポートの高速かつ高消光比でスイッチングできる。もちろん、単独で光制御型の光位相変調器として用いることもできる。
【００９２】
本発明の第３の実施形態の非線形光半導体デバイスは、様々な変形，応用が可能である。例えば、図１１は、図８における中間層８３を第３のＧａＮ井戸層８９で置き換えた構造である。同じ機能を有する部分には同じ番号を付した。第１の井戸層８４と第３の井戸層８９は第２の障壁層８５よりも薄い第３の障壁層８５ｂを介して強く結合しており、第１の井戸層８４と第３の井戸層８９と第３の障壁層８５ｂからなる結合量子井戸構造が第１の量子井戸（光増幅領域）として機能する。図１１には各サブバンドの包絡線関数の二乗もプロットしたが、図８の場合とほぼ同じであり、全く同様に機能する。この構造では、中間組成を用いないので、結晶成長が容易になる。
【００９３】
また、光増幅領域を単一量子井戸ではなく、超格子としてもよい。この場合、これまでの説明中のＥ2 ，Ｅ3 をサブバンドのレベルではなくエネルギーに幅を持ったミニバンドのレベルと読みかえればよい。同様に、電子励起領域も超格子で構成してもよい。この場合も同様に、Ｅ1 ，Ｅ4 をミニバンドのレベルと読みかえればよい。或いは、電子励起領域を複数の量子井戸で構成してもよい。
【００９４】
図１２は、二個の量子井戸が結合した電子励起領域を有する変形例の、単位結合量子井戸構造９０の２周期分の伝導帯バンド構造を模式的に示した図である。この単位結合量子井戸構造９０は、電子注入領域９１，光増幅領域９２，及び電子励起領域９３からなる。光増幅領域９２は、上流側に２段の組成中間層を有する第１の量子井戸９４からなる。電子励起領域９３は、ほぼ同じ構造の第２の量子井戸９５と第３の量子井戸９６からなる。
【００９５】
図１２では、サブバンドのエネルギー・レベルは、電子の存在確率が高い部分のみ太線で表してある。第１の量子井戸９４の基底準位Ｅ2 と第２の量子井戸９５の基底準位Ｅ’1のエネルギー差、第２の量子井戸９５の基底準位Ｅ’1と第３の量子井戸９６の基底準位Ｅ1 のエネルギー差、及び第２の量子井戸９５の励起準位Ｅ’4と第３の量子井戸９６の励起準位Ｅ4 のエネルギー差は、いずれもほぼＬＯフォノンのエネルギーに等しくなるように設定されている。従って、発光ないし緩和によりＥ3 からＥ’1に落ちた電子は、短い時間の間に緩和と励起光の吸収によりＥ1 ないしＥ’4、及びＥ4 と電子注入領域９１を経て、下流側の光増幅領域９２の励起準位Ｅ3 に輸送される。この構成では、Ｅ2 からの電子の排出が図８の場合よりさらに容易になる。また、第１の量子井戸の組成中間層も２段になっているため、Ｅ3 への電子の注入効率も高くできる。
【００９６】
図１３は、励起光，制御光，信号光の波長配置を変えて非反転の可飽和吸収ゲートに応用した例である。励起光パルスは光増幅領域８７による増幅も受けるので、光導波路の奥の方までレベルを殆ど変えずに伝播することができる。励起光パルスのため、光増幅領域８７の利得も電子励起領域８８の吸収も部分的に飽和した状態になっている。この状態にさらに強くてパルス幅の狭い制御光パルスが入射すると、光増幅領域８７の利得も電子励起領域８８の吸収も完全に飽和する。信号光パルスは電子励起領域８８の吸収帯域内にあるが、光増幅領域８７の利得帯域から外れた波長にある。従って、制御光パルスがなければ吸収され、制御光パルスにより吸収が飽和すれば透過する。
【００９７】
このケースでは、非線形光学動作は主として従来型の吸収飽和により実現されており、光増幅領域は制御光パルスの損失補償を主目的として使われている。制御光パルスは光増幅領域８７の利得と電子励起領域８８の吸収の平衡により、あまりパルス・エネルギーや波形を変化させずに光導波路を伝搬することができる。この効果に加え、励起光パルスによりある程度吸収飽和が起こりかけていることも相俟って、スイッチングに必要な制御光パルス・エネルギーを低く抑えることができる。また、光導波路が長くても制御光パルスを伝搬させることができるので、信号光出力の消光比を高めることができる。
【００９８】
或いは、信号光パルスの波長を正味の吸収が小さな領域に設定しておけば、位相変調器として用いることもできる。この場合、制御光が長い距離減衰せずに伝搬させられるので、比較的小さな制御光エネルギーで大きな位相シフトを得ることができる。即ち、変調効率が向上する。励起光パルスは一種のバイアスとして働くので、非変調時の位相バイアスの微調整にも利用できる。
【００９９】
本発明は、以上述べた３つの実施形態やその変形例以外にも、発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形、応用が可能である。例えば、第１、第２の実施形態の層構造を第３の実施形態のような位相変調器、干渉計型光分岐スイッチに応用したり、第３の実施例のような層構造を第１の実施形態の半導体光増幅器や第２の実施形態の利得飽和形光ゲート・スイッチに応用したりすることもできる。また、励起光と制御光を入力とする光演算素子として用いてもよい。或いは、励起光や制御光や信号光の波長数を複数にして、さらに複雑な動作を実現させることも可能である。
【０１００】
これらの光スイッチを波長変換素子として利用することも可能である。例えば、第２の実施形態において、信号光パルスをクロック・パルス、制御光パルスを入力信号とすれば、入力信号のパターンが波長の異なるクロック・パルスに転写される（符号は反転する）。
【０１０１】
これ以外にも、他の素子と組み合わせたり、集積化したりして、さまざまな機能を実現することができる。材料系も、II−VI族半導体、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ系などが利用できる。
【０１０２】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、極めて低雑音で飽和レベルの高い半導体光増幅器が実現できる。また、サブバンド間吸収を用いた従来の可飽和吸収光ゲートと比べて小さいパルス・エネルギーで、高効率かつ高速に、信号光の強度，位相，光出力先等をスイッチングすることが可能になる。そして、可飽和吸収ゲートや光分岐スイッチとして用いた場合は、従来技術より消光比も改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係わる半導体光増幅器の構造を模式的に示す斜視図。
【図２】第１の実施形態に係わる半導体光増幅器の層構造を模式的に示す断面図。
【図３】第１の実施形態に係わる半導体光増幅器の半導体積層構造を構成する結合量子井戸構造三周期分のバンド図。
【図４】第１の実施形態に係わる半導体光増幅器の波長配置を説明する図。
【図５】第２の実施形態に係わる非線形光半導体デバイスの波長配置を説明する図。
【図６】第２の実施形態に係わる非線形光半導体デバイスを励起光光源と集積化した構成例を模式的に示す図。
【図７】第３の実施形態に係わる非線形光半導体デバイスを用いた超高速光分岐スイッチの構成を模式的に示す図。
【図８】第３の実施形態に係わる非線形光半導体デバイスの非線形光半導体層を構成する結合量子井戸構造三周期分のバンド図。
【図９】第３の実施形態に係わる非線形光半導体デバイスの波長配置を説明する図。
【図１０】第３の実施形態に係わる非線形光半導体デバイスの制御光による屈折率変化を説明する図。
【図１１】第３の実施形態に係わる非線形光半導体デバイスの光増幅領域の変形例を説明する伝導帯バンド構造図。
【図１２】第３の実施形態に係わる非線形光半導体デバイスの電子注入領域の変形例を説明する伝導帯バンド構造図。
【図１３】本発明の波長配置の変形例を説明する図。
【図１４】従来の技術の量子カスケード・レーザの活性層を構成する単位構造２周期分の伝導帯バンド構造を模式的に示す図。
【符号の説明】
１…サファイア基板
２，４…窒化物半導体層
３…非線形光半導体層
５…メサ光導波路
６…ポリイミド
７，８…電極
９…入射光
１０…出射光
１１…励起光
２０…半導体光増幅器／非線形光半導体デバイス（利得飽和型光ゲート・スイッチ）
２２…アンドープＡｌＮ層
２３…第１のｎ型ＧａＮ層
２４…第１のＡｌＧａＮ組成傾斜層
２５…第２のＡｌＧａＮ組成傾斜層
２６…第２のｎ型ＧａＮ層
３１，８１…半導体積層構造の一積層周期の結合量子井戸構造
３２，８２…第１のアンドープＡｌＮ障壁層（電子注入領域）
３３，８３…アンドープＡｌＧａＮ井戸中間層
３４，８４…第１のｎ型ＧａＮ井戸層
３５，８５…第２のアンドープＡｌＮ障壁層
３６，８６…第２のｎ型ＧａＮ井戸層
３７，８７…第１の量子井戸（光増幅領域）
３８，８８…第２の量子井戸（電子励起領域）
５０…半導体光励起素子
５１…モード同期レーザ
５２…テーパ型半導体光増幅素子
５３，５４…利得領域
５５…可飽和吸収領域
５６…電極
５７…同期光入力
６１…石英光集積回路
６２…受動光導波路
６３…信号光入力ポート
６４…制御光入力ポート
６５…第１の信号光出力ポート
６６…第２の信号光出力ポート
６７…制御光出力ポート
６８…光カプラ
６９…１：１光カプラ
７１…第１の分岐
７２…第２の分岐
７３，７５…波長カプラ
７４…第２の実施形態の非線形光半導体デバイス（光位相変調素子）
７６…光強度変調器
７７…光位相変調器
８９…第３のＧａＮ井戸層
９０…変形例の単位結合量子井戸構造
９１…電子注入領域
９２…光増幅領域
９３…電子励起領域
９４…第１の量子井戸
９５…第２の量子井戸
９６…第３の量子井戸
１０１…電子注入領域
１０２…活性領域
１０３…井戸層
１０４…障壁層
１０５…ミニバンド
【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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