(57)【要約】【課題】飽和特性により利得が減少することを抑制することができ、変調速度の高速化を図ることが可能となる半導体光増幅器を提供する。【解決手段】基板と、該基板上に配された半導体による光増幅媒体とを有し、該光増幅媒体に入力される光信号を増幅する半導体光増幅器であって、  前記基板上に、前記光増幅媒体を光励起するための複数の半導体レーザが、該光増幅媒体に近接配置されている構成とする。その際、これらの複数の半導体レーザは、前記光増幅媒体の光導波方向と直交する方向から励起光を照射可能に配置される。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に配された半導体による光増幅媒体とを有し、該光増幅媒体に入力される光信号を増幅する半導体光増幅器であって、
前記基板上に、前記光増幅媒体を光励起するための複数の半導体レーザが、該光増幅媒体に近接配置されていることを特徴とする半導体光増幅器。
【請求項２】
前記複数の半導体レーザは、前記光増幅媒体の光導波方向と直交する方向から励起光を照射可能に配置されてい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】
前記複数の半導体レーザが、それぞれ異なる変調周波数で駆動可能に構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体光増幅器。
【請求項４】
前記光増幅媒体が、光出力される端面の反射率を高反射率に構成し、該光増幅媒体をレーザ発振する半導体レーザとして機能させる構造とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体光増幅器。
【請求項５】
半導体光増幅器を備えたレーザ装置であって、前記半導体光増幅器が請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体光増幅器によって構成されていることを特徴とするレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光増幅器、半導体光増幅器を備えたレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体型光増幅器（ＳＯＡ）は、光通信およびファイバーレーザなどの分野においてキーデバイスとして使用されている。
このような半導体型光増幅器においては、光出力の飽和特性が希土類添加のファイバー増幅器に比べ劣っていること、変調速度が通信用ＬＤに比べ一般に低速であること、等の点にさらなる改善が望まれている。
【０００３】
特許文献１では、光増幅器の飽和特性により利得が減少することを改善するため、基板上に活性層と導波路層とクラッド層とを積層し、電流注入により増幅を行う光増幅器として、つぎのように構成した光増幅器が提案されている。
すなわち、この光増幅器では、入力側から出力側に向かって導波路幅がテーパー状に広がるように構成され、利得の減少を抑え、単一モード伝搬が可能とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−６７８４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１のものでは、光増幅器の飽和特性により利得が減少することを抑制することが可能とされている。
しかしながら、この光増幅器では入力側から出力側に向かって導波路幅がテーパー状に広がるように構成されていることから、導波路幅を増加させることとなり、そのため出力効率の低下が生ずることとなる。
一般に、半導体光増幅器（ＳＯＡ）の光出力は、活性層における光密度が１０１７ｃｍ−２以下に制限される。
これらに対処するためには、ＳＯＡ活性層の捕獲断面積を増やすことが効果的であるが、ｐｎ接合を利用する通常のＳＯＡでは、原理的に活性層深さによって捕獲断面積を増やすことが難しい。
また、半導体光増幅器（ＳＯＡ）を光の変調器として駆動する場合に、素子サイズが大きくなる。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑み、飽和特性により利得が減少することを抑制することができ、変調速度の高速化を図ることが可能となる半導体光増幅器、半導体光増幅器を備えたレーザ装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、つぎのように構成した半導体光増幅器、半導体光増幅器を備えたレーザ装置を提供するものである。
本発明の半導体光増幅器は、基板と、該基板上に配された半導体による光増幅媒体とを有し、該光増幅媒体に入力される光信号を増幅する半導体光増幅器であって、
前記基板上に、前記光増幅媒体を光励起するための複数の半導体レーザが、該光増幅媒体に近接配置されていることを特徴とする。
また、本発明の半導体光増幅器を備えたレーザ装置は、その半導体光増幅器が上記した本発明の半導体光増幅器によって構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、飽和特性により利得が減少することを抑制することができ、変調速度の高速化を図ることが可能となる半導体光増幅器、半導体光増幅器を備えたレーザ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態における半導体光増幅器（ＳＯＡ）の構成について説明する図。
【図２】本発明の実施例１における励起用ＬＤの層構造を示す図。
【図３】本発明の実施例１における半導体光増幅部の層構造を示す図。
【図４】本発明の実施例１におけるへき開用微小ウェハー片形成後の構造を示す図。
【図５】本発明の実施例１における半導体光増幅器（ＳＯＡ）の構成を示す図。
【図６】本発明の実施例１における半導体光増幅器（ＳＯＡ）の上面図。
【図７】本発明の実施形態における半導体光増幅器（ＳＯＡ）を用いたリングレーザの構成について説明する図。
【図８】本発明の実施形態における半導体光増幅器（ＳＯＡ）を高速変調する場合について説明する図。
【図９】本発明の実施例２における端面反射膜の構造を示す図。
【図１０】本発明の実施例２における側面励起ＬＤの動作について説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態における半導体光増幅器（以下、これをＳＯＡと記す。）は、同一基板上に、光増幅媒体を構成する半導体光増幅部（ＳＯＡ部）と、該半導体光増幅部の側面に複数の半導体レーザ（ＬＤ）とが近接配置される。
そして、これにより、該半導体レーザによる光励起によって該半導体光増幅部を駆動するように構成される。
従来のＳＯＡでは、外部より導かれた励起光によって光増幅部を駆動するように構成されている。
これに対して、本実施形態のＳＯＡでは、同一ウェハー上に設けられた複数の半導体レーザ（ＬＤ）からの励起光によって光増幅部を駆動し、ワンチップで駆動可能な光増幅器を構成することができる。
このような本実施形態のＳＯＡの構成によれば、ｐｎ接合の制約なしに活性層の深さを調整できるため、従来のものに比して活性層断面積を１０倍以上に大きくすることができる。そのため、光出力は従来ＳＯＡの１０倍以上に高めることが可能となる。
また、ＳＯＡ部の周囲に配置した複数の半導体レーザ（ＬＤ）により、ＳＯＡ部の活性層を個別に、高速で光変調することができ、従来のＳＯＡに比べてデバイスの応答速度の高速化が可能となる。
【００１１】
つぎに、図１を用いて、本実施形態のＳＯＡについて、更に具体的に説明する。
図１において、１０１はｐ電極、１０２は励起光、１０３はＡＳＥ光、１０４はＧａＡｓ基板、１０５はＳＯＡ部、１０６はＬＤ部である。
本実施形態のＳＯＡは、ＳＯＡ部１０５の入出力方向と垂直な方向（ＳＯＡ部の光導波方向と直交する方向）から、同一基板上に集積されたＬＤ部１０６からの励起光１０２がＳＯＡ部１０５に照射可能に配置されている。
照射された励起光は、表面の無反射膜、クラッド層を通過して、ＳＯＡ内部の活性層に照射される。
これにより、活性層ではＧａＡｓの井戸層が上記照射され光を吸収し、電子正孔対が発生する。
次に、電子正孔対はキャリアの濃度差により拡散し再結合する。再結合によって生じた光は、ＳＯＡ部１０５の導波路を伝搬して、端面からＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光１０３として外部に出力される。
ここでは、ＡＳＥ光１０３の中心波長は、８６０ｎｍ、半値幅２０ｎｍとなるように構成されている。
【００１２】
つぎに、本実施形態のＳＯＡを用いたレーザ装置の構成例について説明する。本実施形態では、図７に示すようなリングレーザが構成される。
図７において、１６１はアイソレータ、１６２はＳＯＡ、１６３は偏波面制御器、１６４はＡＳＥ光、１６５は偏波面保持ファイバー、１６７は９：１の光カプラ−、１６８は光出力である。
本実施形態のリングレーザは、図７に示すように、ＳＯＡ１６２の端面からＡＳＥ光１６４が光ファイバーを伝搬するように構成される。
伝搬するＡＳＥ光１６４は、アイソレータ１６１によって周回する方向が定まり、ここでは時計回りとなる。
次に、９：１の光カプラ−１６７により、リングが９、外部出力が１の割合で分岐され、光出力される。
本実施形態のＳＯＡの構成によると、しきい値励起エネルギーが８００ｍＷ程度で、最大光出力は１００ｍＷ以上を得ることができ、従来のＳＯＡの２０倍の出力を得ることが可能となる。
これは、従来のＳＯＡでは活性層の高さおよび幅が０．４μｍ×０．４μｍ程度であるのに対して、本実施形態のＳＯＡではその断面積が２５倍となる高さ×幅＝２μｍ×２μｍとすることができるためである。
【００１３】
つぎに、図８により本実施形態のＳＯＡを用いて高速変調する場合の駆動方法について説明する。
図８において、１７１は信号用ＬＤ、１７２は励起用ＬＤ、１７３は入力側、１７４は出力側、１７５はＳＯＡ部である。
図８に示したように、２０個のＬＤの内、光入力側１７３のＬＤを信号用ＬＤ１７１としてレーザ出力を変調する。
すると入力された光信号が変調され出力側に向かうにつれて、他の励起用ＬＤ１７２により励起した活性層により、変調信号は増幅され、大きな振幅となって出力される。
信号用ＬＤ１７１の帯域は５ＧＨｚ以上であり、ＳＯＡ部１７５全体を電気的に駆動する従来のＳＯＡよりも高速に駆動することが可能となる。
また、隣接するＬＤを異なる変調周波数で駆動可能に構成することができ、ＳＯＡの活性層内部において、光による矩形波の合成や任意波形を作り出すとことが可能となる。
活性層内部での光応答は、電気的な応答の制約を受けるＬＤよりも高速であり、この点が電気的な波形合成処理よりも優れている。
【実施例】
【００１４】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、複数のＬＤを近接配置した半導体光増幅器の構成例について説明する。
まず、図２を用いて、半導体光増幅器に近接して配置されるＬＤのデバイスの作製方法について説明する。
図２において、１１１はｐ+−ＧａＡｓ層、１１２はｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ層、１１３はＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／ＧａＡｓのＭＱＷ層、１１４はｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ層、１１５はｎ+−ＧａＡｓ層、１１６はＧａＡｓ ｓｕｂである。
【００１５】
素子の作製方法を以下に示す。
図２はＬＤのデバイス模式図である。
図２のデバイスの作製方法は次の通りである。まず、デバイス形成の基盤となるｎ＋のＧａＡｓ１１６ウェハーを用意し、高品質なデバイス層を形成するためエピタキシャル成長を行う。
エピタキシャルウェハーはドーピング濃度７ｘ１０１８ｃｍ−３程度のｎ＋−ＧａＡｓウェハー１１５であり、結晶成長前に表面酸化膜の除去を行った後に、ＭＯＣＶＤなど結晶成長装置により成長温度６５０℃程度の高温でＧａＡｓを１μｍ程度成長する。
次に、後で示すへき開プロセス用にＡｌＡｓ層を１００ｎｍ程度成長した後に、ＧａＡｓを４μｍ程度成長し、励起用ＬＤの下地を作る。
上記の結晶成長層はすべて、Ｓｉがドープされｎ＋層となるようにした。
ドーピング濃度は５ｘ１０１８ｃｍ−３となるようにシラン等の材料ガス濃度を調整した。
【００１６】
次に、励起用のＬＤ構造の成長を行う。クラッド層としてキャリア濃度３ｘ１０１７ｃｍ−３程度のｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ層１１４を１μｍ程度成長し、次に活性層としてＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／ＧａＡｓのＭＱＷ層１１３を０．４μｍ程度成長する。
ＭＱＷの構造はバリア層厚８０ｎｍでウェル層は２０ｎｍとし、これを交互に４回繰り返す。
次に、上部のクラッド層として５ｘ１０１７ｃｍ−３程度のｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ層１１２を１μｍ程度形成し、最後にコンタクト層として１ｘ１０１９ｃｍ−３のｐ+−ＧａＡｓ層１１１を５０ｎｍ程度形成する。
【００１７】
つぎに、図３を用いて、ＳＯＡの活性層部分を形成するためのプロセスについて説明する。
図３において、１１７はｉ−Ａｌ０．１９Ｇａ０．８１Ａｓ層、１１８はＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８ＡｓのＭＱＷ層、１１９はｉ−Ａｌ０．１９Ｇａ０．８１Ａｓ層、１２０はＧａＡｓキャップ層である。
まず、ＳＯＡの活性層部分をエッチングするため、ＳｉＯ２などのエッチングマスクを形成し、その後、塩素ガスを用いたドライエッチングにより深さ７μｍの溝を形成する。
次に、結晶成長の準備として、硫酸系のウェットエッチング液により１μｍ程度エッチングを行う。
次に、ＳＯＡの活性層を結晶成長するため、エッチング用のＳｉＯ２マスクを選択性成長用のマスクとしてＭＯＣＶＤなどで結晶成長を行う。
まず、エッチング面に対して、１μｍのｉ−Ａｌ０．１９Ｇａ０．８１Ａｓ層１１７を形成し、次に活性層としてＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８ＡｓのＭＱＷ層１１８を５μｍ程度成長する。
ＭＱＷの構造はバリア層厚８０ｎｍでウェル層は２０ｎｍとし、これを交互に５０回繰り返す。
最後に、１μｍのｉ−Ａｌ０．１９Ｇａ０．８１Ａｓ層１１９およびＧａＡｓキャップ層１２０を５０ｎｍ程度成長してＳＯＡの活性層部の選択成長が終了する。
図３は、再成長後の構造を示す図である。
【００１８】
つぎに、図４、図５を用いて、励起用ＬＤアレイのミラーの形成方法について説明する。
ミラーの形成は水中におけるレーザを用いたへき開を用いる。へき開製造装置の構成としては、レーザ衝撃波を発生させるフェムト秒レーザ、レーザ光をサンプルまで導く光学系と照射位置へ導くための顕微鏡、レーザチップを移動させるためのＸ−Ｙ−Ｚステージ、水中での加工を行うための水がめから構成される。
水中でのレーザ誘起衝撃波により、数十μｍ程度の大きさの微小ウェハー片に衝撃波を加えリフトオフする。
ウェハー片がリフトオフされることで、ウェハーと除去したウェハー片（へき開片）の切断面に、図４に示すようなへき開面が構成される。
図４において、１２１はへき開片、１２２はＬＤ部、１２３はＳＯＡ部である。このようなへき開を行うための微小ウェハー片を作製するため、レジストマスクパターンを形成し、ＩＣＰを用いたドライエッチング処理を行う。エッチング深さは１０μｍ程度とする。
ドライエッチング後のウェハーは図５に示す形状となる。
図５において、１３１はＬＤ部、１３２はＳＯＡ部である。
【００１９】
次に、予め導入しておいた微小ウェハー片下部のＡｌＡｓ層を水蒸気中で４００〜５００℃程度で熱処理することで、ＡｌＡｓを水平方向にリフトオフが必要となる片側３μｍ以下程度の酸化を行う。
バッファードふっ酸に１分程度つけることで酸化ＡｌＡｓ層を除去する。次に微小ウェハー片のリフトオフを下記の条件で行う。
１０μｍ幅、長さ２μｍのへき開片をリフトオフするのに必要な圧力、レーザ強度はそれぞれ０．１１２ＧＰａ、５ｍＷ／ｃｍ２となる。
次の励起用ＬＤアレイの素子分離およびミラーの形成方法は、電流狭窄構造として、プロトンイオン注入による絶縁領域の形成によって行う。
まず、ストライプ幅５μｍの電流注入領域を形成するため、ＳｉＯ２／Ｃｒをマスクとして０．２〜１ＭｅＶのエネルギーで１ｘ１０１９ｃｍ−２ドーズする。最終的にデバイスのサイズとしては、一例としてストライプ幅＝５μｍ、共振器長＝３００μｍとする。
レーザ端面の反射率を裏面の反射率９０％、取り出し面を５％であり、材料はＳｉＯ２／ＴｉＯ２を用いた多層膜および単層膜とする。
【００２０】
次に、電極形成プロセスとして、裏面にｎ型の電極としてＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉを蒸着後、４００℃程度の窒素中アニールを行いオーミック電極を形成する。
ｐ型電極は表面のＳｉＯ２をレジストにより電極の窓開けパターンを形成し、ふっ酸により窓開けを行った後、レジストによるリフトオフプロセスによりパターンニングを行う。材料はＴｉ／Ａｕであり、電極窓は幅１０μｍのライン状とする。
最後に、ＬＤとＳＯＡの集積チップをへき開により、ウェハーから素子分離し、その後、ＳＯＡ部の端面を０．０５％以下の無反射とするため、無反射膜を形成する。
材料はＳｉＯＮｘ膜を用いている。ＳＯＡの導波路長さは６００μｍとした。
図５は本実施例におけるＳＯＡの完成後の構成を示す図であり、図６はその上面図である。また、図６において１４１は励起用ＬＤアレイ、１４２はファイバー、１４３はＳＯＡ部である。
作製したＬＤの表面電極を正極、裏面電極を負極として電圧を印加することで、３００μｍ長さの共振器長、活性領域幅を２μｍ程度に調整した場合、閾値電流２０ｍＡ、スロープ効率０．９Ｗ／Ａのレーザ特性が得られる。
【００２１】
［実施例２］
実施例２では、図９、図１０を用いて、ＳＯＡ部の端面の反射率を高反射率とし、ＳＯＡ部をレーザ発振する半導体レーザとして機能する構造とした構成例について説明する。
図９は本実施例の光励起型半導体レーザにおける反射ミラーの層構造を示す図である。
図９において、１８１はＳｉＯ2、１８２はＴｉＯ2、１８３はＳｉＯＮｘ、１８４は高反射多層膜（４／λ膜）、１８５は低反射単層膜である。
実施例１と同様な構造のＳＯＡにおいて、本来のＳＯＡとして機能させる場合には、端面の反射率をＳｉＮＯＸの厚みを調整することで０．００５％以下に調整されている。
本実施例では、この端面形成プロセスを変更し、端面の反射率をそれぞれ、裏面を９０％、出射面を５％とすることで、光励起の半導体レーザとして機能させる。
反射鏡の構造は高反射ミラーとして高反射多層膜（４／λ膜）１８４を、低反射ミラーとして低反射単層膜１８５を用いる。
多層膜材料はＳｉＯ２１８１とＴｉＯ２１８２、単層膜としてＳｉＯＮｘ１８３を使用する。
【００２２】
つぎに、図１０を用いて、本実施例におけるＳＯＡの動作について説明する。図１０において、１９１はｐ電極、１９２はレーザ光、１９３は励起光、１９４はＧａＡｓ基板、１９５はＬＤとして機能するＳＯＡ部、１９６はＬＤ部である。
ＳＯＡの入出力方向と垂直な方向（横方向）から同一基板上に集積されたＬＤからの励起光がＳＯＡ部に照射される。
照射後、表面の無反射膜、クラッド層を通過して、ＳＯＡ内部の活性層にレーザが照射される。
活性層ではＧａＡｓの井戸層が光を吸収し、電子正孔対が発生する。
次に、電子正孔対はキャリアの濃度差により拡散し再結合する。再結合によって生じた光は、ＬＤとして機能させるＳＯＡ部１９５の光導波路を伝搬し端面において、一部が反射される。
反射され内部に戻された光により、導波路内部の活性層が十分に励起されると誘導放出が起こり始め、レーザ発振を起こす。
レーザのしきい値エネルギーは２００ｍＷ程度であり、最大出力は６００ｍＷ程度となる。
【符号の説明】
【００２３】
１０１：ｐ電極
１０２：励起光
１０３：ＡＳＥ光
１０４：ＧａＡｓ基板
１０５：ＳＯＡ部
１０６：ＬＤ部
【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】
2011124299.tif 000010
【図９】
2011124299.tif 000011
【図１０】
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