(57)【要約】【課題】高い飽和出力と高い飽和利得を得るための量子ドットを用いた半導体光増幅器は、利得媒質である量子ドットへの光の閉じ込めレベルが低いために、素子の長さが長いものを用いる必要があり、その結果、素子の駆動電流が大きくなり消費電力が大きくなるといった課題があった。【解決手段】量子ドットを活性層媒質の含む光増幅器において、光導波路の光入射側の領域の量子ドット密度が、光出射側の領域のそれより高くなるように量子ドット密度分布をつけて形成することによって、同じ飽和出力と飽和利得を有する量子ドット密度が均一な光増幅器に比べ、光軸方向の素子長がより短く作製することが可能となる。また、その様な量子ドット密度分布は、２列のストライプ形状を有し、かつ前記光導波路の光入射面側の領域における前記間隔が、光出射面側の領域における前記間隔よりも狭くなるような間隔変化形状をもったマスクを用い、有機金属気相成長法によって積層形成することで可能となる。【選択図】図６
2008218765.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層媒質に量子ドットを有し、前記活性層媒質を含む光導波路の光伝搬方向に関して光入射面側の領域の前記量子ドットの密度が、光出射面側の領域の前記量子ドットの密度よりも高くなる量子ドット密度分布を有することを特徴とする半導体光増幅器。
【請求項２】
前記量子ドット密度分布は、前記光入射面側の領域から前記光出射面側の領域に向かって階段状または直線状に低くなる分布であることを特徴とする請求項１記載の半導体光増幅器。
【請求項３】
前記量子ドットは、積層型量子ドットまたはコラムナ型量子ドットであることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の半導体光増幅器。
【請求項４】
半導体基板表面上に、光増幅器の光導波路の光伝搬方向軸を挟んで間隔を有する２列のストライプ形状を有し、かつ前記光導波路の光入射面側の領域における前記間隔が、光出射面側の領域における前記間隔よりも狭くなるような間隔変化形状をもったマスクを形成する工程と、
前記マスク上に、活性媒質に量子ドットを有する前記光増幅器を有機金属気相成長法によって積層形成する工程と、
を、有することを特徴とする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、半導体光増幅器およびその製造方法に関し、特に量子ドット構造をもった、高い飽和出力と高い飽和利得を有し、かつ駆動電流が相対的に低くすることが可能な半導体光増幅器およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の通信需要の爆発的な増大により、光通信システムの更なる高速化、高機能化、高多重化が求められている。これに対処するシステムの一つである光ファイバを用いた波長多重通信システムにおいては、システム内に分波・合波などの数多くの処理段階を踏み、各段階での光通信処理用部品などでの損失が発生するため、光信号の多大な減衰は免れ得ない。
【０００３】
従って、このような光ファイバ通信システムにおいて、光ファイバを含むシステム内を伝播する光の減衰を補うために、光増幅器は必須部品であり、光通信システムの高度化から、非常に多くの光増幅器が用いられるようになる。このような背景から、光増幅器に関し、ワイドバンド化・高出力化・高利得化などの高機能化に加え、より小型化、より低消費電力化がますます重要な要素となっている。
【０００４】
光増幅器としては、従来、光ファイバに各種希土類をドープして作製する所謂光ファイバ系光増幅器や、各種半導体光増幅器が提案されてきた。半導体光増幅器は、光ファイバ系光増幅器などに比べ波長選択の自由度は広いものの、ＮＦ（Ｎｏｉｓｅ  Ｆｉｇｕｒｅ）が大きいことや飽和利得領域での信号劣化が問題とされていた。しかし、近年、量子ドット活性層を多段に用いた半導体光増幅器の適用で、それらの欠点が大きく改善されるようになってきた（例えば、非特許文献１）。
【０００５】
こうした量子ドットを活性層に用いた光増幅器の作製は、格子不整合系材料を特定の条件下で気相エピタキシャル成長（例えば、ＭＯＶＰＥ；Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ−Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ；有機金属気相成長）法などを適用することで自己形成される量子ドットを、中間層を介して多段に形成して用いている。この自己生成（組織化）量子ドットの形成過程は、所謂Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎａｖ（Ｓ−Ｋ）モードでの３次元成長である（例えば、特許文献１）。
【０００６】
多段の自己生成（組織化）量子ドット活性層を用いた光デバイスに関し、量子ドット活性層を例えば数１０ｎｍの厚さの中間層（バリア層）を挟んで数段積層する、所謂、積層型量子ドット素子と、例えば数ｎｍの厚さの薄い中間層（サイドバリア層）を挟んで数段積層する、所謂、コラムナ型量子ドット素子とが提案されている（例えば、特許文献２）。コラムナ型量子ドット素子は、例えば、偏波無依存の利得特性を有する点などにおいて、積層型量子ドット素子には実現が困難な特徴を有している。
【非特許文献１】T.Akiyama et al., IEEE Photonics Tech. Letters, pp1614, Vol.17, No.8, 2005
【特許文献１】特開２００１−３２６４２１号公報
【特許文献２】特願２００５−３５０４３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来、例えば、半導体レーザ構造を用いたような半導体光増幅器においては、光出力が増大するに従い、光の増幅度が低下する特性、つまり飽和出力と飽和利得はトレードオフの関係にあった。しかし、上記の、Ｔ．Ａｋｉｙａｍａらの非特許文献１において、活性層中の利得を実現する媒質として量子ドットを用いることで活性層への光閉じ込めサイズを非常に小さくして、例えば、波長；１．５５μｍ、ドット量子密度；４．０×１０１０ｃｍ−１、素子長；６１５０μｍとしたときに、飽和出力；２３ｄｂｍ、飽和利得；２５ｄｂｍの半導体光増幅器が実現されたことが報告され、量子ドットを用いた半導体光増幅器の有効性が示された。
【０００８】
しかしながら、そのような高い飽和出力と高い飽和利得を同時に実現できる反面、利得媒質である量子ドットへの光の閉じ込めレベルが低いために、素子の長さが、上記のように、６１５０μｍと長いものを用いる必要があった。このため、素子の駆動電流が大きくなり、ひいては、消費電力が大きくなること、またデバイスサイズが大きいことから、作製上の理論取り数も低下するといった問題点があった。
【０００９】
そこで、以上のことから、本発明の課題は、高い飽和出力と高い飽和利得を同時に実現でき、かつ素子の長さをより短くした、活性層媒質に量子ドットを有する半導体光増幅器、を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の半導体光増幅器は、
活性層媒質に量子ドットを有し、前記活性層媒質を含む光導波路の光伝搬方向に関して光入射面側の領域の前記量子ドットの密度が、光出射面側の領域の前記量子ドットの密度よりも高くなる量子ドット密度分布を有することを特徴とする。
【００１１】
また、
前記量子ドット密度分布は、前記光入射面側の領域から前記光出射面側の領域に向かって階段状または直線状に低くなる分布であることを特徴とする。
【００１２】
また、
前記量子ドットは、積層型量子ドットまたはコラムナ型量子ドットであることを特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明の光増幅器の製造方法は、
半導体基板表面上に、光増幅器の光導波路の光伝搬方向軸を挟んで間隔を有する２列のストライプ形状を有し、かつ前記光導波路の光入射面側の領域における前記間隔が、光出射面側の領域における前記間隔よりも狭くなるような間隔変化形状をもったマスクを形成する工程と、
前記マスク上に、活性媒質に量子ドットを有する前記光増幅器を有機金属気相成長法によって積層形成する工程と、
を、有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明になる上記手段により、積層型、コラムナ型いずれの量子ドットを活性層媒質の含む光増幅器において、その光導波路の光入射側の領域の量子ドット密度が、光出射側の領域のそれより高くなるように量子ドット密度分布をつけて形成することによって、同じ飽和出力と飽和利得を有する量子ドット密度が均一な光増幅器に比べ、光軸方向の素子長がより短く作製することが可能となる。
【００１５】
それにより、素子の駆動電流が小さくなり、ひいては、消費電力が小さくなること、またデバイスサイズが小さいことから、作製上の理論取り数も向上するといった効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
まず、本発明の半導体光増幅器を作製するための検討と、本発明になる光増幅器の素子設計について以下に説明する。
【００１７】
（発明実施のための検討と素子設計）
図１は、素子設計のためのダイアグラム例を示す。ここにおいて、横軸は左端を０とした素子の長さの程度（任意スケール）を表し、光の進行方向は、左端側から右方向（長さ方向）とする。縦軸において、いずれも０（−２ｄＢｍ）の線から上に向かって、左側目盛は利得の程度を表し（任意スケール）、右側目盛は出力の程度を表す（任意スケール）。
【００１８】
量子ドットを利得媒質に用いた光増幅器においては、その飽和出力は、量子ドット密度に反比例することが知られており、例えば、素子中を伝播する光が素子内の量子ドット密度が高い領域を通過すると、その領域では、その密度に応じて飽和出力は低下するが、反面、光が素子内の量子ドット密度が低い領域を通過すれば、その領域での飽和出力は高くなる。つまり、量子ドット密度が低い領域を光出力領域に設定すれば、その密度が低いほど、飽和出力が高い素子を得ることができる。
【００１９】
その飽和出力の高低の程度は、量子ドット密度が２倍になれば、飽和出力は半分、すなわち３ｄＢｍ減少し、量子ドット密度が３倍になれば、飽和出力は３分の１、すなわち５ｄＢｍ減少することになる。
【００２０】
一方、光増幅器の利得に関しては、光進行方向の単位長さあたりの利得は、光が通過する領域の量子ドット密度に比例して大きくなる。従って、その領域の量子ドット密度が倍になれば、単位長さあたりの利得は、比例して倍、つまり３ｄＢ上昇し、量子ドット密度が３倍になれば、単位長さあたりの利得は、比例して３倍、つまり５ｄＢ上昇する。
【００２１】
先に述べた非特許文献１の報告例によると、量子ドット密度；４．０×１０１０ｃｍ−１、素子長；６１５０μｍのときに、飽和出力；２３ｄｂｍ（右縦軸目盛）、飽和利得；２５ｄｂｍ（左縦軸目盛）が得られたのであることから、それぞれを、図中の直線の実線Ａとその到達点（矢印部）で示す。このＡ（実施報告例）の量子ドット密度と飽和利得から、単位長さあたりの利得は、４０ｄＢ／ｃｍに相当する。
【００２２】
以上の考察と、上記の実施報告例のデータから、次に例示するような、量子ドット密度が光進行方向に分布構造をもち、かつ実施報告例の光増幅器と同じ出力特性を有する光増幅器を設計することが可能となる。
【００２３】
（１）二段階分布構造の例
本例は、図１の二段階折線Ｂで示したものである。このＢで示した光増幅器（以下Ｂ素子と称する）の場合、光入力領域（一段階目）の量子ドット密度を、実施報告例の直線で示した光増幅器Ａ（以下Ａ素子と称する）の量子ドット密度４．０×１０１０ｃｍ−１の２倍の８．０×１０１０ｃｍ−１を用い、従って領域の単位長さあたりの利得は４３ｄＢ／ｃｍ（Ａの３ｄＢ／ｃｍ増・すなわち２倍）、またこの領域での飽和出力は２０ｄＢｍ（Ａの３ｄＢｍ減・すなわち半分）である。この一段階目の領域の長さを５，１２０μｍとすると、この長さで得られる利得は、５１２０μｍ×４３ｄＢ／ｃｍから、２２ｄＢである。
【００２４】
更に、これに接続して光出力領域（二段階目）の量子ドット密度を、Ａの量子ドット密度４．０×１０１０ｃｍ−１と同じにし、つまりこの素子Ｂの飽和出力をＡと同じの２３ｄＢｍにし、この領域の長さを７５０μｍとすると、この長さで得られる利得は、７５０μｍ×４０ｄＢ／ｃｍから、３ｄＢとなる。
【００２５】
従って、全長の、５１２０μｍ＋７５０μｍ＝５８７０μｍの素子長により、２２ｄＢ＋３ｄＢ＝２５ｄＢの飽和利得、かつ２３ｄＢｍの飽和出力の光増幅器が得られる。このＢ素子により、同じ出力性能を有するＡ素子に比べ２８０μｍ短い、つまり、駆動電流の低い素子が形成できる。
【００２６】
（２）三段階分布構造の例
本例は、図１の三段階折線Ｃで示したものである。このＣで示した光増幅器（以下Ｃ素子と称する）の場合、光入力領域（一段階目）の量子ドット密度を、Ａ素子の量子ドット密度４．０×１０１０ｃｍ−１の３倍の１．２×１０１１ｃｍ−１を用い、従って領域の単位長さあたりの利得は４５ｄＢ／ｃｍ（Ａの５ｄＢ／ｃｍ増・すなわち３倍）、またこの領域での飽和出力は１８ｄＢｍ（Ａの５ｄＢｍ減・すなわち３分の１）である。この一段階目の領域の長さを４４４０μｍとすると、この長さで得られる利得は、４４４０μｍ×４５ｄＢ／ｃｍから、２０ｄＢである。
【００２７】
更に、これに接続して中間領域（二段階目）の量子ドット密度を、Ａ素子の量子ドット密度４．０×１０１０ｃｍ−１の２倍の８．０×１０１０ｃｍ−１を用い、従って領域の単位長さあたりの利得は４３ｄＢ／ｃｍ（Ａの３ｄＢ／ｃｍ増・すなわち２倍）、またこの領域での飽和出力は２０ｄＢｍ（Ａの３ｄＢｍ減・すなわち半分）である。この二段目の領域の長さを４６５μｍとすると、この長さで得られる利得は、４６５μｍ×４３ｄＢ／ｃｍから、２ｄＢである。よって、この二段階までの利得は、２０ｄＢ＋２ｄＢ＝２２ｄＢ。
【００２８】
更に、これに接続して光出力領域（三段階目）の量子ドット密度を、Ａの量子ドット密度４．０×１０１０ｃｍ−１と同じにし、つまりこの素子Ｃの飽和出力をＡと同じの２３ｄＢｍにし、この領域の長さを７５０μｍとすると、この長さで得られる利得は、７５０μｍ×４０ｄＢ／ｃｍから、３ｄＢとなる。
【００２９】
従って、全長の、４４４０μｍ＋４６５μｍ＋７５０μｍ＝５６６５μｍの素子長により、２０ｄＢ＋２ｄＢ＋３ｄＢ＝２５ｄＢの飽和利得、かつ２３ｄＢｍの飽和出力の光増幅器が得られる。このＣ素子により、同じ出力性能を有するＡ素子に比べ４９０μｍ短い、つまり、駆動電流の低い素子が形成できる。
【００３０】
以上に例示したような素子設計をすること、つまり光進行方向に量子ドット密度が低くなるようにすること、逆に言えば、光導波路の光伝搬方向に関して光入射面側の領域の量子ドットの密度が光出射側の領域の量子ドット密度よりも高くなることにすることによって、量子ドットを用いた光増幅器の飽和出力と飽和利得がともに高く、かつ素子長をより短くできる、つまり駆動用電流のより低下を図ることができる。
【００３１】
上記の場合は、二段階分布構造、三段階分布構造の段階状に量子ドット密度が変化する例を示したが、勿論、更に多段になるようにしても良いし、あるいは、量子ドット密度を直線状に低下させる構造にしても良いことは明らかである。
【００３２】
以下に、本発明になる上記のような量子ドット密度分布構造の素子に関する実施の形態を、添付図を参照しつつ説明する。
【００３３】
（第１の実施例）
本実施例では、後の実施例で述べる、量子ドット層の厚さよりも隣り合う上下の量子ドット層を区分する層が薄い層（以後、サイドバリア層と称する）構成を有する型の量子ドット（以後、コラムナ型量子ドットと称する）ではなく、量子ドット層の厚さよりも隣り合う上下の量子ドット層を区分する層が厚い層（以後、中間層と称する）構成を有する型の量子ドット（以後、積層型量子ドットと称する）をもった、前記の二段階分布構造（図１におけるＢ素子）の光増幅器の作製について、述べる。
【００３４】
先ず、ｎ型ＩｎＰ（００１面）（ｎ−ＩｎＰ（００１面）とも記す）基板上に、例えば、図２に示すような、平行したストライプ形状のＳｉＯ２マスクを、既知のＳｉＯ２成膜工程（例えば、減圧ＣＶＤ装置内に前記基板を入れ、その表面にモノシランと酸素の混合ガスを反応させてデポジションすることよる成膜）と、そのＳｉＯ２を、フォトリソグラフィ工程を用いて所定の形状にパターニングすることにより形成する。
【００３５】
図２に示されるように、本マスク１（Ｍ１）は、基板上面マスク図にあるように、基板上にＳｉＯ２膜で、長さ５，１２０μｍ×幅３００μｍのパターンを、センター線（ＣＬ）を挟んで１５μｍの間隔をおいて、２つ平行して配置する。このセンター線（ＣＬ）は、光軸方向をしめしている。本ＳｉＯ２マスクＭ１の厚さは、基板側面マスク図にあるように、例えば３００ｎｍとする。形成される光増幅素子の最終的な長さ（光軸方向の長さ）は、一方の端部（光入力端側）をマスク１（Ｍ１）に左端に一致し、他方の端部（光出力端側；光進行方向の矢印の向き側）は、マスク１（Ｍ１）の右端から更に７５０μｍの位置（図中に基板端部ＳＥで示す）の位置とする。
【００３６】
上記のようなマスク１Ｍ１が形成されたｎ型ＩｎＰ（００１面）基板上に、以後、図３に示したように各層を積層する。本図３は、左右に光軸方向をもった積層基板断模式図である。各層の積層は、ＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ−Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ；有機金属気相成長）法を用いる。
【００３７】
先ず、マスク１Ｍ１を有するｎ−ＩｎＰ（００１面）基板１上に、ｐ−ＩｎＰバッファ層２を３００ｎｍ成長する。そのために、成膜装置の反応室内に、マスク１Ｍ１を有するｎ−ＩｎＰ（００１面）基板１を搬入し、ＰＨ３（ホスフィン）とＴＭＩｎ（トリメチルインジュウム）を供給し、反応室内圧力を１０Ｔｏｒｒ、成長温度（基板表面温度）を６３０℃、ｎ型のＳｉドーピング濃度を５．０×１０１７ｃｍ−３とする成長条件で行う。
【００３８】
次に、発光する光波長が１．１μｍとなる元素組成を有する（すなわち、組成波長が１．１μｍである）ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層３を５０ｎｍ成長する。そのために、ｐ−ＩｎＰバッファ層２を成長後、ＰＨ３（ホスフィン）雰囲気下で成長温度を４８０℃に下げ、反応室内圧力を１０Ｔｏｒｒ、ＴＭＩｎ（トリメチルインジュウム）、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）、ＡｓＨ３（アルシン）およびＰＨ３（ホスフィン）を反応室内に供給して堆積する。
【００３９】
そして、同じく組成波長が１．１μｍであるＩｎＧａＡｓＰ中間層４を３０ｎｍ形成する。成長条件は、成長温度を４８０℃で、反応室内圧力を１０Ｔｏｒｒ、ＴＭＩｎ（トリメチルインジュウム）、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）、ＡｓＨ３（アルシン）およびＰＨ３（ホスフィン）を反応室内に供給して堆積する。
【００４０】
その後、３ＭＬ（Ｍｏｎｏ  Ｌａｙｅｒ；原子層）相当のＩｎＡｓ量子ドット５を成長する。このために、反応室内圧力を１００Ｔｏｒｒに設定し、ＴＭＩｎ（トリメチルインジュウム）とＡｓＨ３（アルシン）を供給して堆積する。
【００４１】
そして、再び、組成波長が１．１μｍであるＩｎＧａＡｓＰ中間層４を３０ｎｍ形成する。成長条件は、同じく、成長温度を４８０℃で、反応室内圧力を１０Ｔｏｒｒ、ＴＭＩｎ（トリメチルインジュウム）、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）、ＡｓＨ３（アルシン）およびＰＨ３（ホスフィン）を反応室内に供給して堆積する。
【００４２】
その後、再び、３ＭＬ（Ｍｏｎｏ  Ｌａｙｅｒ；原子層）相当のＩｎＡｓ量子ドット５を成長する。このために、反応室内圧力を１００Ｔｏｒｒに設定し、ＴＭＩｎ（トリメチルインジュウム）とＡｓＨ３（アルシン）を供給して堆積する。
【００４３】
こういった、３ＭＬ（Ｍｏｎｏ  Ｌａｙｅｒ；原子層）相当のＩｎＡｓ量子ドット５の成長と、３０ｎｍの組成波長が１．１μｍであるＩｎＧａＡｓＰ中間層４との形成を１サイクルとして、全部で５サイクルの成長を繰り返し行う。
【００４４】
そして、組成波長が１．１μｍであるＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層６を５０ｎｍ成長する。そのために、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層３と同様に、成長温度を４８０℃、反応室内圧力を１０Ｔｏｒｒ、ＴＭＩｎ（トリメチルインジュウム）、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）、ＡｓＨ３（アルシン）およびＰＨ３（ホスフィン）を反応室内に供給して堆積する。
【００４５】
更に、ｐ−ＩｎＰクラッド層７を１，０００ｎｍ成長する。そのために、ＰＨ３（ホスフィン）とＴＭＩｎ（トリメチルインジュウム）を供給し、反応室内圧力を１０Ｔｏｒｒ、成長温度を６３０℃、ｐ型のＺｎドーピング濃度を１．０×１０１８ｃｍ−３とする成長条件で行う。
【００４６】
そして、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層８を５００ｎｍ堆積する。そのために、成長温度を４８０℃で、反応室内圧力を１０Ｔｏｒｒ、ＴＭＩｎ（トリメチルインジュウム）、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）およびＡｓＨ３（アルシン）を反応室内に供給して堆積する。
【００４７】
ＭＯＶＰＥ法を用いた堆積成長において、図２に示したようなマスクを基板上に形成して成長を行った場合、基板表面上のマスク被覆の程度によって、基板上に形成されるＭＯＶＰＥ法の選択成長効果の程度が異なることが知られている（非特許文献２）。
【００４８】
例えば、図２において、センター線（ＣＬ）に沿っての量子ドットの形成密度は、マスクＭ１に挟まれた領域Ｘのほうが、挟まれていない領域Ｙに比べ、領域Ｘのほうが、マスク被覆率が高いため、マスク被覆率の低い領域Ｙよりも高密度になる。これは、III族の実効的な供給量がマスク被覆率の高い領域Ｘのほうがより多くなるためと考えられている。
【００４９】
従って、マスクの間隔が領域Ｘのそれより狭くなれば量子ドットの形成密度はより高くり、間隔が領域Ｘのそれより広くなれば量子ドットの形成密度はより低くなるように作用する。領域Ｙは、マスクが無い状況であるため、与えられた成長条件下では、最も低い量子ドットの形成密度となる。
【００５０】
このように、マスクの開口（スペース）間隔（被覆率）による選択成長効果を、本発明の実施例である素子形成に用い、図２で示した各マスク１Ｍ１の各ディメンジョンを予め実験的に求め、その数値結果をこの実施例に適用する。その結果、図３の下段に記したように、素子の全長Ｌ１が、５８７０μｍであり、そのうち、入射側の５１２０μｍの領域（マスク１での間隔がＸの個所）は、量子ドット密度は凡そ８．０×１０１０ｃｍ−３となり、出射側の７５０μｍの領域（マスク１での間隔がＹの個所）は、量子ドット密度は凡そ４．０×１０１０ｃｍ−３となる。つまり、図１の素子Ｂで示したものと同様な量子ドット密度の分布特性を有する積層構造を得る。
【００５１】
こうして積層成長した成長基板をストライプ構造化する。図４は、成長基板を光出射面側から見たときの断面模式図であって、例えば、幅１．５μｍのストライプ構造のＳｉＯ２マスク９を、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層８上に、既知の成膜方法とフォトリソグラフィー技術によって形成する。ストライプの長さは、前記Ｌ１（５８７０μｍ）とする。このマスクを用いて、例えば、ＩＰＣ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ；誘導結合プラズマ）ドライエッチングによって、図のように、深い、垂直のエッチングをｎ−ＩｎＰ（００１面）基板１表面まで実施することで、積層部分をストライプメサ化する。
【００５２】
次いで、図５（同じく、成長基板を光出射面側から見たときの断面模式図）に示すように、エッチされた両側のストライプメサ部分に高抵抗埋め込み層、例えば図示するように、ＦｅドープＩｎＰ埋め込み層１０を、既知の方法、例えばＰＨ３（ホスフィン）とＴＭＩｎ（トリメチルインジュウム）を用い、反応室内圧力を１００Ｔｏｒｒ、成長温度を６３０℃、ｉ型のＦｅドーピングでＭＯＶＰＥ法にて成長する。そして、基板側に、ｎ側電極１１、コンタクト側にｐ側電極１２を形成する。
【００５３】
そして、図６（本図は図３と同じ、左側に光入射側、右側に光出射側である左右に光軸方向を有する、つまりメサストライプ構造の長さ方向の積層基板断模式図）に示すように、光入射側に無反射すなわちＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ）である、無反射（ＡＲ）膜１３、出射側に同様に無反射（ＡＲ）膜１４を形成する。
【００５４】
こうして、図６に示す、図１の素子Ｂの所期の設計に基づいた、光の飽和出力が凡そ２３ｄＢｍ、飽和利得が２５ｄＢで、かつ素子長が５８７０μｍと、より短くなった、量子ドットを有する半導体光増幅器が形成できる。
【非特許文献２】江川他、信学技報、ＬＱＥ９８−２３（１９９８−６）  （第２の実施例）  本実施例は、第１の実施例と同じ積層型量子ドットを用い、しかし第１の実施例よりも更に素子長が短い、前記の三段階分布構造（図１におけるＣ素子）の光増幅器の作製について述べる。
【００５５】
本実施例の場合、ＭＯＶＰＥ法で積層するときに、ｎ−ＩｎＰ（００１面）基板上に形成するマスク２Ｍ２は、図７のようなディメンジョンにする。図２のマスク１Ｍ１と異なる点は、マスク２Ｍ２の間隔に関し、入射側（左側）端部から４４４０μｍまでがセンター線（ＣＬ）振り分けで各１０μｍ（計２０μｍ）の間隔領域Ｚと、つぎに４６５μｍの長さの部分が、同じく計３０μｍの間隔領域Ｘとなる。さらに光軸に沿って出射側（右側）端部（基板端部ＳＥ）までの７５０μｍの長さの部分の、マスクが形成されていない開放領域Ｙとを含め、合計５６６５μｍの長さが素子の全長になる。図２のマスク１Ｍ１およびその第１の実施例の作製工程において説明したのと同様に、このマスク２Ｍ２の形状に依存したＭＯＶＰＥ法成長時の選択成長効果を用いることで、各マスク間隔によって形成される量子ドット密度を変化させることができる。図７において、領域Ｘ、領域Ｙは、図２のそれと同じ間隔の領域であり、領域Ｚは領域Ｘの３分の２の間隔となっている。
【００５６】
以後、このマスク２Ｍ２を適用して、第１の実施例と同様に、積層工程・ストライプメサ構造化工程・高抵抗埋め込み工程・電極形成工程そして無反射（ＡＲ）膜形成工程を行うことで、図８に示すように、図１の素子Ｃで示したものと同様な量子ドット密度の分布特性（図８の下段に表示）を有する積層構造を得、そして光の飽和出力が凡そ２３ｄＢｍ、飽和利得が２５ｄＢで、かつ素子長が５６６５μｍと、より短くなった、量子ドットを有する半導体光増幅器が形成できる。
【００５７】
（第３の実施例）
本実施例は、前記の第１、第２の実施例と異なり、コラムナ型量子ドットを量子ドットとして用いる例であり、軸方向に沿った量子ドット密度の分布は前記第１の実施例と同じ（図１のＢ素子と同じ）とする。従って、前述のマスク１Ｍ１（図２）を適用する。
【００５８】
前述のマスク１Ｍ１が形成されたｎ型ＩｎＰ（００１面）基板上に、以後、図９に示したように各層を積層する。本図９は、左右に光軸方向をもった積層基板断模式図である。各層の積層は、前記実施例と同様に、ＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ−Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ；有機金属気相成長）法を用いる。
【００５９】
図示された各層の形成方法に関し、まず、マスク１Ｍ１を表面上に有する、ｎ−ＩｎＰ（００１面）基板１上に、ｐ−ＩｎＰバッファ層２を成長し、その上に、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層３を成長するまでは、第１の実施例と同様に行う。
【００６０】
次に、３ＭＬ（Ｍｏｎｏ  Ｌａｙｅｒ；原子層）相当のＩｎＡｓ量子ドットを成長する。このために、反応室内圧力を１００Ｔｏｒｒに設定し、ＴＭＩｎ（トリメチルインジュウム）とＡｓＨ３（アルシン）を供給して堆積する。このＩｎＡｓ量子ドットが次に行う薄いサイドバリア層の形成と相俟って、ＩｎＡｓコラムナ型量子ドット１５となる。
【００６１】
そして、組成波長が１．１μｍであるＩｎＧａＡｓＰサイドバリア層１６を２ｎｍ相当分と薄い層を形成する。成長条件は、成長温度を４８０℃で、反応室内圧力を１０Ｔｏｒｒ、ＴＭＩｎ（トリメチルインジュウム）、ＴＥＧａ（トリエチルガリウム）、ＡｓＨ３（アルシン）およびＰＨ３（ホスフィン）を反応室内に供給して堆積する。
【００６２】
その後、再び、３ＭＬ（Ｍｏｎｏ  Ｌａｙｅｒ；原子層）相当のＩｎＡｓコラムナ型量子ドット１５を成長する。このために、反応室内圧力を１００Ｔｏｒｒに設定し、ＴＭＩｎ（トリメチルインジュウム）とＡｓＨ３（アルシン）を供給して堆積する。
【００６３】
こういった、３ＭＬ（Ｍｏｎｏ  Ｌａｙｅｒ；原子層）相当のＩｎＡｓコラムナ型量子ドット１５の成長と、２ｎｍの組成波長が１．１μｍであるＩｎＧａＡｓＰ中間層１６との形成を１サイクルとして、全部で５サイクルの成長を繰り返し行う。
【００６４】
そして、その上に、第１の実施例と同様な方法で、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層６を、例えば、３０ｎｍ成長し、その上に、同じく、ｐ−ＩｎＰクラッド層７を、例えば、２００ｎｍ成長する。
【００６５】
その結果、図９の下段に記したように、図３のそれと同様に、素子の全長Ｌ１が、５８７０μｍであり、そのうち、入射側の５１２０μｍの領域（マスク１での間隔がＸの個所）は、コラナム型量子ドット密度は凡そ８．０×１０１０ｃｍ−３となり、出射側の７５０μｍの領域（マスク１での間隔がＹの個所）は、コラナム型量子ドット密度は凡そ４．０×１０１０ｃｍ−３となる。つまり、図１の素子Ｂで示したものと同様な量子ドット密度の分布特性を有する積層構造を得る。
【００６６】
次に、こうして積層成長した成長基板をストライプ構造化する。図１０は、成長基板を光出射面側から見たときの断面模式図であって、例えば、幅１．５μｍのストライプ構造のＳｉＯ２マスク９をｐ−ＩｎＰクラッド層７上に形成する。ストライプの長さは、第１の実施例と同様に、前記Ｌ１（５８７０μｍ）とする。このマスクを用いて、ＩＰＣ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ；誘導結合プラズマ）ドライエッチングによって、図のように、深い、垂直のエッチングをｎ−ＩｎＰ（００１面）基板１表面まで実施することで、積層部分をストライプメサ化する。
【００６７】
そして、第１の実施例とは異なり、本実施例では、図１１に示すように両側のストライプメサ部分にｐドープＩｎＰ埋め込み層１７を形成する。次いで、ｎ−ＩｎＰブロック層１８の形成、ＳｉＯ２マスク９の除去、ｐ−ＩｎＰクラッド層１９の成長などの各工程を踏んで、このｐ−ＩｎＰクラッド層１９表面を平坦化するといった、所謂平坦化成長プロセスを施す。その上に、ここで、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０を５００ｎｍ堆積する。さらに、基板側に、ｎ側電極１１、コンタクト側にｐ側電極１２を形成する。
【００６８】
こうして作製された第３の実施例において、図１２（本図は図９と同じ、左側に光入射側、右側に光出射側である左右に光軸方向を有する、つまりメサストライプ構造の長さ方向の積層基板断模式図）に示すように、光入射側に無反射すなわちＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ）である、無反射（ＡＲ）膜１３、出射側に同様に無反射（ＡＲ）膜１４を形成する。
【００６９】
この様にして、図１２に示す、図１の素子Ｂの所期の設計に基づいた、光の飽和出力が凡そ２３ｄＢｍ、飽和利得が２５ｄＢで、かつ素子長が５８７０μｍと、より短くなった、コラムナ型量子ドットを有する半導体光増幅器が形成できる。
【００７０】
（第４の実施例）
本実施例は、第３の実施例と同じコラムナ型量子ドットを用い、しかし第３の実施例よりも更に素子長が短い、前記の三段階分布構造（図１におけるＣ素子）の光増幅器の作製について述べる。従って、前述のマスク２Ｍ２（図７）を適用する。
【００７１】
本実施例の場合、ＭＯＶＰＥ法で積層するときに、ｎ−ＩｎＰ（００１面）基板上に形成するマスク２Ｍ２は、第２の実施例と同様に、図７のようなディメンジョンにする。
【００７２】
上記の各実施例の作製工程において説明したのと同様に、このマスク２Ｍ２の形状に依存したＭＯＶＰＥ法成長時の選択成長効果を用いることで、各マスク間隔によって形成される量子ドット密度（この場合は、第３の実施例と同様に、コラムナ型量子ドット密度）を変化させる。このマスク２Ｍ２を適用して、第３の実施例と同様に、コラムナ型量子ドットを含む積層工程・ストライプメサ構造化工程・ｐドープＩｎＰ埋め込み層形成工程・ｐ−ＩｎＰクラッド層積層及び平坦化工程・電極形成工程そして無反射（ＡＲ）膜形成工程を行うことで、図１３に示すように、図１の素子Ｃで示したものと同様な量子ドット密度の分布特性（図１３の下段に表示）を有する積層構造を得、そして光の飽和出力が凡そ２３ｄＢｍ、飽和利得が２５ｄＢで、かつ素子長が５６６５μｍと、より短くなった、コラムナ型量子ドットを有する半導体光増幅器が形成できる。
【００７３】
以上の第１〜４の実施例においては、基板材料としてＩｎＰ、光閉じ込め層・中間層・サイドバリア層の材料としてＩｎＧａＡｓＰ、また量子ドット材料としてＩｎＡｓを共通な材料として例示して説明した。しかし、これに限らず、例えば、基板材料としてＧａＡｓ、光閉じ込め層・中間層・サイドバリア層の材料としてＡｌＧａＩｎＡｓ、また量子ドット材料としてＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＳｂなども適用可能であることは、これまでの説明から明らかである。
【００７４】
また、積層した各層厚や適用マスクのディメンジョン、また成長条件などは一例であって、本発明の趣旨に適合する範囲で任意に変更可能であることは言うまでも無い。
【００７５】
この様に、積層型、コラムナ型いずれの量子ドットを活性層媒質の含む光増幅器に関して、光導波路の光入射側の領域の量子ドット密度が、光出射側の領域のそれより高くなるように量子ドット密度分布をつけて形成することによって、同じ飽和出力と飽和利得を有する量子ドット密度が均一な光増幅器に比べ、光軸方向の素子長がより短く作製することが可能であることが明らかになり、その具体的な作製方法も明らかになった。
【００７６】
以上の実施例を含む実施の形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【００７７】
（付記１）
活性層媒質に量子ドットを有し、前記活性層媒質を含む光導波路の光伝搬方向に関して光入射面側の領域の前記量子ドットの密度が、光出射面側の領域の前記量子ドットの密度よりも高くなる量子ドット密度分布を有することを特徴とする半導体光増幅器。
【００７８】
（付記２）
前記量子ドット密度分布は、前記光入射面側の領域から前記光出射面側の領域に向かって階段状または直線状に低くなる分布であることを特徴とする付記１記載の半導体光増幅器。
【００７９】
（付記３）
前記量子ドットは、積層型量子ドットまたはコラムナ型量子ドットであることを特徴とする付記１または２のいずれかに記載の半導体光増幅器。
【００８０】
（付記４）
前記光入射面および前記光出射面に無反射膜を有することを特徴とする付記１ないし３のいずれかに記載の半導体光増幅器。
【００８１】
（付記５）
ストライプメサ構造であることを特徴とする付記１ないし４の何れかに記載の半導体光増幅器。
【００８２】
（付記６）
前記量子ドットは、ＩｎＡｓからなることを特徴とする付記１ないし５の何れかに記載の半導体光増幅器。
【００８３】
（付記７）
半導体基板表面上に、光増幅器の光導波路の光伝搬方向軸を挟んで間隔を有する２列のストライプ形状を有し、かつ前記光導波路の光入射面側の領域における前記間隔が、光出射面側の領域における前記間隔よりも狭くなるような間隔変化形状をもったマスクを形成する工程と、
前記マスク上に、活性媒質に量子ドットを有する前記光増幅器を有機金属気相成長法によって積層形成する工程と、
を、有することを特徴とする光増幅器の製造方法。
【００８４】
（付記８）
前記間隔変化形状は、階段状または直線状であることを特徴とする付記８記載の光増幅器の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の光増幅器の設計を説明するための設計ダイアグラム
【図２】本発明の第１の実施例のマスクパターンを説明する図
【図３】本発明の第１の実施例を説明する図（その１）
【図４】本発明の第１の実施例を説明する図（その２）
【図５】本発明の第１の実施例を説明する図（その３）
【図６】本発明の第１の実施例を説明する図（その４）
【図７】本発明の第２の実施例のマスクパターンを説明する図
【図８】本発明の第２の実施例を説明する図
【図９】本発明の第３の実施例を説明する図（その１）
【図１０】本発明の第３の実施例を説明する図（その２）
【図１１】本発明の第３の実施例を説明する図（その３）
【図１２】本発明の第３の実施例を説明する図（その４）
【図１３】本発明の第４の実施例を説明する図
【符号の説明】
【００８６】
１    ｎ−ＩｎＰ（００１）基板
２    ｎ−ＩｎＰバッファ層
３    ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層
４    ＩｎＧａＡｓＰ中間層
５    ＩｎＡｓ量子ドット
６    ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層
７    ｐ−ＩｎＰクラッド層
８    ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
９    ＳｉＯ２マスク層
１０  ＦｅドープＩｎＰ埋め込み層
１１  ｎ側電極
１２  ｐ側電極
１３  無反射（ＡＲ）膜
１４  無反射（ＡＲ）膜
１５  ＩｎＡｓコラムナ型量子ドット
１６  ＩｎＧａＡｓＰサイドバリア層
１７  ｐドープＩｎＰ埋め込み層
１８  ｎ−ＩｎＰブロック層
１９  ｐ−ＩｎＰクラッド層
２０  ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
【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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【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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