(57)【要約】【課題】高速光通信で所望される、１．３μｍ帯用で狭い帯域を増幅することができる光増幅器を実現する。【解決手段】Ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、Ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２、量子ドット活性層３、Ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層４、Ｐ−ＧａＡｓコンタクト層５の順で構成される量子ドット構造を設け、前記活性層３を均一な量子ドットで構成することにより、波長１．３μｍ帯用の半値幅３０ｎｍ以下の狭帯域用半導体光増幅器を提供する。注入電流により、利得波長以外の波長を減衰させることができ、また偏向状態をスイッチングすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層が均一な量子ドットである半導体構造を備え、波長１．３μｍ帯の光増幅特性を有することを特徴とする狭帯域用半導体光増幅器。
【請求項２】
フィルター機能を有し、増幅帯域の半値幅が３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の狭帯域用半導体光増幅器。
【請求項３】
前記半導体構造は、電極を備え、電流を注入することにより利得波長以外の波長を減衰させることを特徴とする請求項１記載の狭帯域用半導体光増幅器。
【請求項４】
前記半導体構造は、電極を備え、電流を注入することにより偏向状態をスイッチングすることを特徴とする請求項１記載の狭帯域用半導体光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバー通信に好適な量子ドット半導体からなる光増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、通信用光増幅器には半導体タイプと光ファイバータイプがあり、従来の半導体光増幅器は、光ファイバー通信で主要である１．５５μｍ帯であり、波長多重通信に適応した広帯域であることや、増幅の大きなハイパワーであること等の特性が重視されてきた。
【０００３】
半導体光増幅器の活性層には、バルク構造、量子井戸構造、量子ドット構造のものがある。量子ドット構造を用いた光増幅器について先行技術調査をすると特許文献１〜３がある。
【０００４】
従来、量子ドット構造を半導体光増幅器に応用すると、増幅帯域１．２〜１．５μｍの増幅帯域を有する、広帯域、高飽和出力の素子が得られることが知られている（特許文献１段落１６９等参照）。また、半導体光増幅器は、小型で高速応答が可能である等の特長を有するため、全信号処理を実現するためのデバイスとして期待され、特に自己形成量子ドットを利得媒質に用いたものは、利得帯域が広い（広帯域増幅）、光出力が高い（高い飽和光出力）等の優れた特性を有するものとして知られている（特許文献２段落２，３等参照）。
【０００５】
本発明者は、量子ドット構造について鋭意研究を重ね、光通信用１．３μｍ波長帯を使用範囲とする半導体レーザーの技術（特許文献４参照）、量子ドットのエネルギー準位を制御する技術（特許文献５参照）、量子ドット集合体のスペクトル幅の狭帯化に関する技術（特許文献６参照）を提案してきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２５１０８９号公報
【特許文献２】特開２００８−９１４２０号公報
【特許文献３】特開２０１０−４４４１３号公報
【特許文献４】特開２００７−５３３２２号公報
【特許文献５】特開２００７−１９４３７８号公報
【特許文献６】特開２０１０−５４６９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
これまでの光増幅器に関する提案では主に発光波長が１．５５μｍ帯のものであった。今年度から１００Ｇｂｐｓイーサーネットの規格がＩＥＥＥで決定される。この規格では通信波長帯１．３μｍ帯での高速通信を想定している。現時点の規格案には光増幅器の使用は想定されていないが、今後を見越して１．３μｍ帯光増幅器の開発を行うことが重要であり、本発明は次世代１．３μｍ帯光増幅器を実現しようとするものである。
【０００８】
従来の量子ドット構造の半導体光増幅器は広帯域増幅であったので、次世代の光増幅器として使用することができないという問題がある。即ち、量子ドットのサイズばらつきを大きくして、広い波長帯域を目的とするものであった。
【０００９】
本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、半導体光増幅器において、増幅波長１．３μｍ帯付近で狭い帯域を増幅できることを目的とするものである。１．３μｍ帯とは、１２８０ｎｍ〜１３４０ｎｍをいう。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は上記課題を解決するために鋭意検討を行い、量子ドット活性層がデルタ関数状エネルギー準位を有することに着目し、量子ドットを高密度かつ高均一化することで、増幅波長１．３μｍ帯で狭い帯域を増幅できる半導体増幅器を提供するものである。
本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有する。
【００１１】
本発明の装置は、半導体光増幅器であって、活性層が均一な量子ドットである半導体構造を備えることを特徴とする。特に波長１．３μｍ帯用で狭い帯域を増幅する。増幅帯域の半値幅が３０ｎｍ以下であることが好ましい。本発明の光増幅器は、フィルター機能を有するので、フィルターとして使用することが好適である。また、前記半導体構造は、電極を備え、電流を注入することにより利得波長以外の波長を減衰させることができる。また、前記半導体構造は、電極を備え、電流を注入することにより偏向状態をスイッチングすることができる。
【００１２】
ここで、量子ドットは、ナノメーターサイズの半導体微粒子であり、大きさが数十ナノメートル程度である。本発明の量子ドット層は、量子ドットサイズが均一であり、その量子ドットから発生する光の発光半値幅はエネルギー準位換算で３０ｍｅＶ以下、波長換算で２４ｎｍの範囲内である。この発光半値幅の狭さが量子ドットの均一性を示している。本発明の量子ドット層は、高密度であり、面密度６×１０１０ｃｍ−２〜１０×１０１０ｃｍ−２の範囲内である。本発明の活性層は、量子ドット層が複数積層された層からなり、大きな増幅を得るためにできるだけ多い方がよいが，光の伝播モードの単一化の観点から10層以内であることが好ましい。具体的には、本発明の活性層は、１層〜１０層であり、好ましくは５層〜１０層である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、半導体増幅器の活性層の量子ドット構造の量子ドットを高密度かつ高均一化することで、狭い帯域を増幅できる。本発明の量子ドット構造の光増幅器は、４０Ｇｂｐｓや１００Ｇｂｐｓイーサーネットの規格に対応した通信波長帯１．３μｍ帯の光増幅特性を有している。増幅帯域が３０ｎｍ以下と狭いため、フィルター機能を有する増幅器として有用である。
【００１４】
本発明によれば、注入電流によって、利得波長以外はキャリアプラズマ効果で減衰させることができる。また、本発明によれば、量子ドット構造は、扁平なドットであるため入射偏光依存特性があるので、注入電流により、偏向状態を選択することができ、偏向状態をスイッチングする素子として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の半導体量子ドット光増幅器の構造の主要部を示す図である。
【図２】本発明の量子ドット活性層の構造を示す図である。
【図３】本発明の半導体光増幅器のデバイス構造を示す図である。
【図４】第１の実施の形態における半導体光増幅器の透過特性を示す図である。
【図５】第１の実施の形態の半導体光増幅器において電流を流したときの透過特性を示す図である。
【図６】第１の実施の形態の半導体光増幅器において電流を流したときの増幅帯域以外の波長の透過特性を示す図である。
【図７】第２の実施の形態の半導体光増幅器において入射光がＴＥ偏光とＴＭ偏光の場合の透過光特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態について、図１〜図６を参照して以下説明する。図１に、本実施の形態の半導体量子ドット光増幅器の構造の主要部を示す。図１に示すように、半導体量子ドット光増幅器の構造の主要部は、半導体基板１上に、クラッド層２、量子ドット活性層３、クラッド層４、コンタクト層５の順に形成されて構成される。具体的には、Ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、Ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２、量子ドット活性層３、Ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層４、Ｐ−ＧａＡｓコンタクト層５の順で構成される。例えば、Ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、アルミニウム（Ａｌ）組成４０％、ガリウム（Ｇａ）組成６０％のＳｉドープのＮ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２、ＩｎＡｓ量子ドットとＧａＡｓ層からなる活性層３、アルミニウム（Ａｌ）組成４０％、ガリウム（Ｇａ）組成６０％のＢｅドープのＰ−ＡｌＧａＡｓクラッド層４、ＢｅドープのＰ−ＧａＡｓコンタクト層５を形成して作成した。なお、上記ＡｌＧａＡｓクラッド層２、４において、第１３族元素（Ｇａ、Ａｌ）と第１５族元素（Ａｓ）の混合率は半々である。
【００１８】
クラッド層２、４は、光を活性層３に閉じ込めるために用いている。活性層３は、電気から光に変換する層である。コンタクト層５は、電極との接触抵抗を低減するためである。ドープは電流注入のために施している。
【００１９】
図２に、量子ドット活性層３の詳細構造を示す。活性層３は、図２のように、ＧａＡｓ層３１、ＩｎＡｓ量子ドット層３２、ＩｎＧａＡｓ層３３、ＧａＡｓ層３４、ＩｎＡｓ量子ドット層３５、ＩｎＧａＡｓ層３６、ＧａＡｓ層３７、ＩｎＡｓ量子ドット層３８、ＩｎＧａＡｓ層３９等からなる。活性層は、図２のように、ＩｎＡｓ量子ドット層とＩｎＧａＡｓ層（合わせて「１ペア」と呼ぶ）を、例えば合計９ペア配置する。ＩｎＡｓ量子ドット層は、Ｉｎ、２．４ＭＬ（２．４分子層）供給されており、その上部にＩｎ２２％のＩｎＧａＡｓ層（２．５ｎｍ）を成長させている。各量子ドットの１ペアと他のペアとの間にＧａＡｓ層（３９ｎｍ）を配置している。ＩｎＡｓ量子ドット層とＩｎＧａＡｓ層とＧａＡｓ層とをまとめて、量子ドットの積層数を１層と数えると、代表例は９層からなる。
【００２０】
図２で、ＩｎＡｓ量子ドット層（３２、３５、３８）として表した層は、ＩｎＡｓ薄膜層とＩｎＡｓ量子ドットとから構成してもよい。図２で、ＩｎＡｓ量子ドット層の上に設けているＩｎＧａＡｓ層（３３、３６、３９）は、歪み緩和層であり、増幅波長を決定する要因である。ＩｎＧａＡｓ層を設けない場合は、増幅波長が１．０μｍ〜１．２μｍとなり、１．３μｍ帯にはならない。
【００２１】
量子ドット層の数は、大きな増幅を得るためには多い方がよいが光伝播モードの単一化の観点から、１層以上１０層以下であることが好ましい。量子ドット層の半導体材料は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いる。代表例として、ＩｎＡｓ量子ドット層を示したが、ＩｎＧａＡｓを用いることができる。歪み緩和層として、ＩｎＧａＡｓ層を用いたが、ＩｎＡｌＡｓ層、ＩｎＧａＡｌＡｓ層を用いることができる。量子ドット層上の歪み緩和層と量子ドット層との間に位置するバリア層（３１、３４、３７）として、ＧａＡｓ層を用いたが、ＡｌＡｓ層、ＧａＡｌＡｓ層を用いることができる。
【００２２】
本実施の形態の半導体量子ドット光増幅器の構造の作製方法を示す。本発明の特徴である図２の量子ドット活性層の部分について作製方法を説明する。半導体基板上に設けられているＧａＡｓ層３１上に、ＩｎＡｓ薄膜層とその上のＩｎＡｓ量子ドット３２を設け、その上にＩｎＧａＡｓ層３３を設けて平坦化し、ＧａＡｓ層３４を設け、これを繰り返す。具体的に説明すると、ＧａＡｓ層３１上にＡｓ２を供給しながら、成長中断を６０秒入れた後、ＩｎとＡｓ２を供給して、ＩｎＡｓ量子ドット３２を製作した。さらにＡｓ２を供給しながら３０秒の成長中断中に成長温度を５０℃ほど下げ、その上に、ＩｎとＧａとＡｓ２を供給しＩｎＧａＡｓ層３３を成長させる。さらにその上に、ＧａとＡｓ２を供給し、ＧａＡｓ層３４を成長させた。以後同様に繰り返した。ＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成は高ければ高いほど、ＩｎＡｓ量子ドットとＧａＡｓ層との間の歪みを緩和させる効果を発揮するので、量子ドットの特性を向上させる。ＩｎＧａＡｓ層の組成は両者の歪みの中間点であるＩｎ０．５Ｇａ０．５Ａｓが最もよい。本実施の形態ではＩｎＧａＡｓ層を薄くし、臨界膜厚によるミスフィット転移の影響を減らしている。
【００２３】
層構造を繰り返すと、ＩｎＧａＡｓ層後のＧａＡｓ層がフラットになりにくい。このため、ＧａＡｓの成長速度を１．０μｍ／ｈｏｕｒ以下の低成長速度にする。また、成長温度は上部の層（２層目と３層目）は下部の層（１層目と２層目）に比べて、同じか５℃高い温度が良い。各層でほぼ同一なＩｎＡｓ量子ドットが製造できた。面密度８×１０１０ｃｍ−２以上のＩｎＡｓ量子ドットを用いて９層の重ね構造を製作した。
【００２４】
図３に、本実施の形態の半導体光増幅器のデバイス構造を示す。光増幅器７は、光ファイバー６から入射する光を増幅して光ファイバー６に出力する。光増幅器７を拡大した構造を図中に示す。光増幅器として、メサ導波路構造の例を示す。光増幅器は、上下に電極を備え、活性層に効率よく電流注入することができる構造になっている。導波路幅は５μｍ、共振器の長さ（導波路長）は２ｍｍとしたが、幅及び長さは所用の増幅率や消費電力に応じて適宜設定するとよい。
【００２５】
本実施の形態の増幅器の増幅機能について説明する。増幅特性について、次の測定を行った。半導体光増幅器の導波路両端に光ファイバーを配置し、片方から光を入力させ、もう一方から光を受ける測定系とした（図３）。入力側から波長可変レーザーを用いて、任意の波長と出力の光を入力した。光ファイバーで受けた出力光をパワーメーターまたはスペクトルアナライザーで観測した。また、半導体光増幅器にヒートシンクは付けていない。
【００２６】
図４に、入射光３μＷ、ＴＥ偏光（横波）、注入電流０ｍＡでの透過特性を示す。図４の横軸は、透過光の波長、縦軸は透過光パワーである。測定結果から１３３０ｎｍ付近に透過光の谷がある。これは量子ドット活性層による光吸収である。理論的にフォトルミネッセンス法と対を成す結果であり、活性層の特徴を良く示している。また、光ファイバーと半導体光増幅器とのカップリング損失は３．５ｄＢ、半導体光増幅器の導波ロスは８ｄＢあった。これに５０ｍＡの電流を注入した透過特性結果を、図５に示す。図５の横軸は透過光の波長、縦軸は透過光パワーである。電流を注入することで光の増幅が行われる。１３３０ｎｍ付近の利得領域中心で光増幅が行われており，増幅帯域の半値幅は約３０ｎｍとなっている。また、１３３０ｎｍにおいて,電流注入前は透過光が１．６５ｎＷであったのに対して，５０ｍＡ注入時は４０８．４８ｎＷとなっており，２４ｄＢ増幅している。また，入射光３μＷに対する増幅率はカップリング損失３．５ｄＢと８ｄＢを考慮し，７ｄＢであると推定される。
【００２７】
また、増幅帯域以外では電流注入することで、キャリアプラズマ効果により透過光が減衰する。図６に、入射光３０μＷ、ＴＥ偏光の結果を示す。図６の横軸は入力電流（注入電流とも呼ぶ）、縦軸は透過光パワーである。増幅帯域の短波長側である１２６０ｎｍと長波長側である１４５０ｎｍを測定した。図６から、いずれの波長においても、電流の増加によって、光の減衰があることがわかる。１２６０ｎｍで約２割、１４５０ｎｍでは約６割の減衰が見られた。特に従来の量子井戸では短波長側に減衰帯域はなく、量子ドット特有の現象である。
【００２８】
これらの測定結果に基づき、特定波長のみ増幅し、それ以外は減衰させるといったフィルター機能を有する光増幅器が実現できる。特定波長は、１３３０ｎｍの例を示したが、量子ドットのドットサイズ及び組成、並びに歪み緩和層の組成及び層厚を変化させることにより、特定波長を変化させることができる。また、半導体素子は動作温度によって、０．１ｎｍ／Ｋの割合で発光波長が変化することが知られている。例えば１０℃〜３０℃の範囲内の所定温度で動作温度を設定すれば、特定波長を約２ｎｍ変化させることができる。
【００２９】
本実施の形態の光増幅器は、特に光通信において重要となる１．３μｍ帯で、増幅帯域が狭いフィルター機能を有する。量子ドット構造の量子ドットとして高均一なものを作成することにより、増幅帯域が３０ｎｍ以下という狭いフィルター機能を実現できる。量子ドットの均一性が高いということは、量子ドットから発生する光の発光半値幅が狭いということができる。本発明では、該発光半値幅が、エネルギー準位換算で３０ｍｅＶ以下、波長換算で２４ｎｍの範囲内である。
【００３０】
また、本実施の形態の光増幅器は、注入電流を流すことにより、キャリアプラズマ効果により、他の波長を減衰させる効果を増大させることができるので、注入電流を加えることにより特定波長を透過させるフィルター機能を向上させる。注入電流値に応じてフィルター機能の性能を変化させることもできる。
【００３１】
１００Ｇｂイーサーネット規格では、４×２５Ｇｂで１．３μｍ帯を利用することが予想されるので、本実施の形態の光増幅器を、４波長から特定の１波長を取り出すフィルターとして用いることができる。
【００３２】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態では、光増幅器への注入電流により偏向状態を選択することができる機能をもつことが特徴である。本実施の形態の半導体光増幅器は、第１の実施の形態と同様の構造を備えている。
【００３３】
本発明の量子ドットは、その形状が球体ではなく、平べったい円盤状となっている。このために反応する光の方向が横方向であり、出射光の偏光状態を変えることができる。第１の実施の形態で説明したものと同様の測定系で測定を行った。図７に、入射光をＴＥ偏光（横波）又はＴＭ偏光（縦波）にした時の透過光特性を示す。図７において、横軸は入力電流、縦軸は透過光パワーである。この時、入射光パワーは３μＷ、波長は１３３５ｎｍである。ＴＥ偏光が光増幅するのに対して、ＴＭ偏光では透過光パワーは殆ど変化しない。注入電流が０ｍＡの時、ＴＥ偏光（１．８ｎＷ）よりＴＭ偏光（９５ｎＷ）の方が大きな透過光パワー値を示す。一方、注入電流７０ｍＡではＴＭ偏光（８４ｎＷ）よりＴＥ偏光（２５１ｎＷ）の方が大きな透過光パワー値を示す。このように注入電流を選ぶことで、透過光をＴＥ偏光かＴＭ偏光どちらかに選択することが可能となる。また、注入電流の大きさを例えば３０ｍＡのように選択すると、ＴＥ偏光とＴＭ偏光を等しく透過させることもできる。
【００３４】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の装置は、ＩＥＥＥの４０Ｇｂイーサーネットや１００Ｇｂイーサーネット規格に適応した１．３μｍ帯の光増幅器として有用である。
【符号の説明】
【００３６】
１、Ｎ−ＧａＡｓ基板
２、Ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層
３、量子ドット活性層
４、Ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層
５、Ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
６、光ファイバー
７、光増幅器
３１、３４、３７、ＧａＡｓ層
３２、３５、３８、ＩｎＡｓ量子ドット層
３３、３６、３９、ＩｎＧａＡｓ層
【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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