(57)【要約】【課題】利得ピーク波長を例えば１．５５μｍ帯の中心付近に保持しながら、その長波長側のみならず短波長側をも包含する広い波長領域で平坦な利得スペクトル及び低い雑音指数を実現し、且つ波長間利得差を小さく抑える高信頼性のＳＯＡを得る。【解決手段】半導体基板としてＩｎＰ基板１１を用い、活性層１４として、ＧａＩｎＡｓを材料としてなる伸張歪が印加されたバリア層１４ａと、ＧａＩｎＮＡｓを材料としてなる無歪の井戸層１４ｂとが交互に複数層、ここでは井戸層１４ｂが４層、バリア層１４ａが５層積層されたＭＱＷ構造を適用してなる偏波無依存型のＳＯＡを提示する。【選択図】図６
2008311536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の上方に設けられた活性層と
を含み、
前記活性層の光入射端面及び光出射端面における反射による光の共振を抑制して、前記光入射端面から入射した入射信号光を増幅して前記光出射端面から出射信号光として出射し、前記出射信号光が受ける利得が前記入射信号光の偏波状態に依らずに一定とされた半導体光増幅装置であって、
前記半導体基板は、ＩｎＰを材料としてなるとともに、
前記活性層は、伸張歪が印加されたＧａＩｎＡｓを材料としてなるバリア層と、ＧａＩｎＮＡｓを材料としてなる井戸層とが交互に１層又は複数層積層された多重量子井戸構造とされてなることを特徴とする半導体光増幅装置。
【請求項２】
前記井戸層は、無歪の状態と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装置。
【請求項３】
前記井戸層は、圧縮歪が印加された状態と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装置。
【請求項４】
前記井戸層は、ＧａＩｎＮＡｓにおける窒素（Ｎ）の組成率が０．０５％以上０．５％以下の範囲内の値とされてな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装置。
【請求項５】
信号光を入力する入力部と、
前記入力部を通過した前記信号光を増幅する半導体光増幅装置と、
前記半導体光増幅装置で増幅された前記信号光を出力する出力部と、
前記入力部と前記半導体光増幅装置との間、及び前記半導体光増幅装置と前記出力部との間の少なくとも一方に配設されてなる集光部と
を含み、
前記半導体光増幅装置は、
半導体基板と、
前記半導体基板の上方に設けられた活性層と
を有し、
前記活性層の光入射端面及び光出射端面における反射による光の共振を抑制して、前記光入射端面から入射した入射信号光を増幅して前記光出射端面から出射信号光として出射し、前記出射信号光が受ける利得が前記入射信号光の偏波状態に依らずに一定とされており、
前記半導体基板は、ＩｎＰを材料としてなるとともに、
前記活性層は、伸張歪が印加されたＧａＩｎＡｓを材料としてなるバリア層と、ＧａＩｎＮＡｓを材料としてなる井戸層とが交互に１層又は複数層積層された多重量子井戸構造とされてなることを特徴とする半導体光増幅システム。
【請求項６】
前記井戸層は、圧縮が印加された状態とされていることを特徴とする請求項５に記載の半導体光増幅システム。
【請求項７】
ＩｎＰを材料としてなる半導体基板と、
前記半導体基板上に集積されており、前記半導体基板を含み構成されてなる複数の半導体光増幅装置と
を含み、
前記各半導体光増幅装置は、
前記半導体基板の上方に設けられた活性層を有し、
前記活性層の光入射端面及び光出射端面における反射による光の共振を抑制して、前記光入射端面から入射した入射信号光を増幅して前記光出射端面から出射信号光として出射し、前記出射信号光が受ける利得が前記入射信号光の偏波状態に依らずに一定とされており、
前記活性層は、伸張歪が印加されたＧａＩｎＡｓを材料としてなるバリア層と、ＧａＩｎＮＡｓを材料としてなる井戸層とが交互に１層又は複数層積層された多重量子井戸構造とされてなることを特徴とする半導体光集積素子。
【請求項８】
前記井戸層は、無歪の状態とされていることを特徴とする請求項７に記載の半導体光集積素子。
【請求項９】
前記井戸層は、圧縮が印加された状態とされていることを特徴とする請求項７に記載の半導体光集積素子。
【請求項１０】
前記半導体基板上に、
信号光が入力自在に並設された入力部である複数の前記半導体光増幅装置と、
前記各半導体光増幅装置のうちで任意の１つの前記半導体光増幅装置からの前記信号光のみを通過させる光カプラと、
前記光カプラを通過した前記信号光を増幅して出力する出力部である前記半導体光増幅装置と
が配設されてなることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の半導体光集積素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、飽和光出力が大きな偏波無依存型の半導体光増幅装置、半導体光増幅システムに及び半導体光集積素子関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の通信需要の飛躍的な増大に対処すべく、波長の異なる複数の信号光を多重化することで一本の光ファイバで大容量伝送が可能となる、いわゆる波長多重(ＷＤＭ: Wavelength Division Multiplexing)システムの導入が進んでいる。このＷＤＭシステムでは、波長の異なる光信号の合波や分波に使用される各光部品の損失によって光信号の光パワーが減衰するため、これを補償するために光増幅器の使用が必須となる。
【０００３】
半導体光増幅器(ＳＯＡ: Semiconductor Optical Amplifier)は小型であり、また広い波長範囲に対して利得を持つように設計が可能であることから、ＷＤＭシステムの損失補償用の光増幅器として期待されている。
【０００４】
大容量の光通信システムに用いられる光ファイバは、光信号の偏波モードを保持しないため、ＳＯＡには偏波間利得差が低い値に抑えられていることが求められる。また、ＳＯＡは、飽和領域で用いるとパターン効果による波形劣化や波長チャネル間のクロストークにより伝送ペナルティを生じるため、飽和光出力を十分に高くして線形領域で用いることが必要になる。
【０００５】
このような低偏波間利得差且つ高飽和光出力を同時に実現するＳＯＡには、以下に示す様々な特性が要求される。
要件Ａ：ＳＯＡの光利得が入力信号光の偏波状態によって変わらないこと。即ち、ＳＯＡが小さい偏波間利得差を有すること。
要件Ｂ：入力信号光の波長によるＳＯＡの利得変動が小さいこと。即ち、ＳＯＡが平坦な利得スペクトルを有すること。
要件Ｃ：ＳＯＡを挿入したことによる信号光の信号対雑音比劣化が小さいこと。即ち、ＳＯＡが小さい雑音指数を有すること。
要件Ｄ：ＳＯＡからの高い信号光出力が可能であること。即ち、ＳＯＡが高い飽和光出力を有すること。
【０００６】
光通信システムへの導入においては、ＳＯＡが要件Ａ〜Ｄを全て満たす必要がある。更にその特性は、特に長距離通信システムで用いられる波長である１．５５μｍ帯のできるだけ広い波長領域において得られることが好ましい。これまでに、上記の４要件を満たすとするＳＯＡ技術が開発されており、波長１．５５μｍ帯における、高出力、偏波無依存且つ低雑音なＳＯＡが報告されている（例えば、非特許文献１，２を参照）。
【０００７】
【非特許文献１】K. Morito et. al. IEEE Journal of Lightwave Technology,  2003 , 21, (1), pp. 176-181.
【非特許文献２】S. Tanaka et. al. IEE  Electronics Letters, vol. 42, no. 18, pp. 1059-1060, 2006.
【非特許文献３】K. Magari et,al.  IEEE, Journal of Quantum Electronics, vol.30, No. 3, 695-702 (1994)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従前の報告例では、波長１．５５μｍ帯において利得の波長平坦性（要件Ｂ）は十分に満たされていない。その理由として、以下の（１），（２）が考えられる。
（１）偏波無依存な増幅特性を実現するために活性層材料に印加した伸張歪の効果により、活性層材料（ＧａＩｎＡｓ（Ｐ））のバンド端波長が短波側にシフトする。
（２）高い飽和光出力（要件Ｄ）を得るために、薄い活性層を持つＳＯＡに高い電流密度注入した場合、活性層内でのバンドフィリング効果により、利得のピーク波長が短波側にシフトする。
【０００９】
上記の（１），（２）等の効果により、実使用時の利得ピーク波長が１．５５μｍより短波側にシフトしてしまい、波長１．５５μｍ付近では短波側ほど利得が高くなるような利得チルト（利得の波長依存性における傾き）が付き易いことになる。
【００１０】
そこで、波長１．５５μｍ帯のＳＯＡにおける利得波長平坦性を実現する技術として、ＳＯＡの活性層にＧａＩｎＮＡｓを用いる手法が、本願と同一の出願人による特願２００６−９９９８９５（本願の出願時には未公開であって文献公知発明ではないため、特許文献としては掲載していない。）に示されている。この技術では、ＩｎＰ基板上に従来材料のＩｎＧａＡｓＰに比べてより小さなバンドギャップを有するＧａＩｎＮＡｓ材料からなる歪バルク構造の活性層を利用して偏波無依存型のＳＯＡを作製する。その結果、高電流注入状態においても利得ピーク波長がＣバンド帯に保持される。利得ピーク波長付近ではＳＯＡの利得スペクトルの形状は平坦であるため、この技術の適用により波長１．５５μｍ帯における利得の波長依存性は著しく改善される。
【００１１】
しかしながら、この技術においては、活性層構造として歪バルク構造を利用しているため、利得ピーク波長の短波側において利得スペクトルのチルトが比較的急峻であることに加え、この波長領域で雑音指数の増大が見られやすい。その結果、要件Ａ〜Ｄを全て満足する波長帯は利得ピーク波長の長波長側のみに限られ、実効的には１．５５μｍ付近の比較的狭い波長領域でしか満足な動作が得られないという課題を有している。
【００１２】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、利得ピーク波長を例えば１．５５μｍ帯の中心付近に保持しながら、その長波長側のみならず短波長側をも包含する広い波長領域で平坦な利得スペクトル及び低い雑音指数を実現し、且つ波長間利得差を小さく抑えることを可能とする高信頼性の半導体光増幅装置及び半導体光増幅システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の半導体光増幅装置は、半導体基板と、前記半導体基板の上方に設けられた活性層とを含み、前記活性層の光入射端面及び光出射端面における反射による光の共振を抑制して、前記光入射端面から入射した入射信号光を増幅して前記光出射端面から出射信号光として出射し、前記出射信号光が受ける利得が前記入射信号光の偏波状態に依らずに一定とされた半導体光増幅装置であって、前記半導体基板は、ＩｎＰを材料としてなるとともに、前記活性層は、伸張歪が印加されたＧａＩｎＡｓを材料としてなるバリア層と、ＧａＩｎＮＡｓを材料としてなる井戸層とが交互に１層又は複数層積層された多重量子井戸構造とされてなる。
【００１４】
本発明の半導体光増幅システムは、信号光を入力する入力部と、前記入力部を通過した前記信号光を増幅する半導体光増幅装置と、前記半導体光増幅装置で増幅された前記信号光を出力する出力部と、前記入力部と前記半導体光増幅装置との間、及び前記半導体光増幅装置と前記出力部との間の少なくとも一方に配設されてなる集光部とを含み、前記半導体光増幅装置は、半導体基板と、前記半導体基板の上方に設けられた活性層とを有し、前記活性層の光入射端面及び光出射端面における反射による光の共振を抑制して、前記光入射端面から入射した入射信号光を増幅して前記光出射端面から出射信号光として出射し、前記出射信号光が受ける利得が前記入射信号光の偏波状態に依らずに一定とされており、前記半導体基板は、ＩｎＰを材料としてなるとともに、前記活性層は、伸張歪が印加されたＧａＩｎＡｓを材料としてなるバリア層と、ＧａＩｎＮＡｓを材料としてなる井戸層とが交互に１層又は複数層積層された多重量子井戸構造とされてなる。
【００１５】
本発明の半導体光集積素子は、ＩｎＰを材料としてなる半導体基板と、前記半導体基板上に集積されており、前記半導体基板を含み構成されてなる複数の半導体光増幅装置とを含み、前記各半導体光増幅装置は、前記半導体基板の上方に設けられた活性層を有し、前記活性層の光入射端面及び光出射端面における反射による光の共振を抑制して、前記光入射端面から入射した入射信号光を増幅して前記光出射端面から出射信号光として出射し、前記出射信号光が受ける利得が前記入射信号光の偏波状態に依らずに一定とされており、前記活性層は、伸張歪が印加されたＧａＩｎＡｓを材料としてなるバリア層と、ＧａＩｎＮＡｓを材料としてなる井戸層とが交互に１層又は複数層積層された多重量子井戸構造とされてなる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、利得ピーク波長を例えば１．５５μｍ帯の中心付近に保持しながら、その長波長側のみならず短波長側をも包含する広い波長領域で平坦な利得スペクトル及び低い雑音指数を実現し、且つ波長間利得差を小さく抑えることを可能とする高信頼性の半導体光増幅装置及び半導体光増幅システムを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
−本発明の基本骨子−
本発明では、半導体基板としてＩｎＰ基板を用い、活性層として、伸張歪が印加されたＧａＩｎＡｓを材料としてなるバリア層と、ＧａＩｎＮＡｓを材料としてなる無歪又は圧縮歪が印加された井戸層とが交互に１層又は複数層積層された多重量子井戸（Multiple Quantum Well：ＭＱＷ）構造としてなるＳＯＡを提示する。
この構成によれば、ＭＱＷ構造の活性層を構成するバリア層への伸張歪の導入により偏波無依存化を実現するとともに、活性層の膜厚を薄くすることで高飽和光出力化を実現するも、ＧａＩｎＡｓに窒素（Ｎ）を添加したＧａＩｎＮＡｓをＭＱＷ構造の井戸層の材料に用いることで、活性層のバンドギャップを小さくして利得ピーク波長を長波化させ、活性層への高電流注入時にバンドフィリングが存在しても、特にＣ帯及びＬ帯における高利得化が実現する。
更にこの場合、利得ピーク波長を例えば１．５５μｍ帯の中心付近に保持しながら、その長波長側のみならず短波長側をも包含する広い波長領域で平坦な利得スペクトル及び低い雑音指数を実現し、且つ波長間利得差を小さく抑えることが可能となる。
【００１８】
図１は、本発明のＳＯＡにおける活性層内のバンド状態を示す模式図である。
ＧａＩｎＡｓ結晶に窒素を微量添加したＧａＩｎＮＡｓは、ＧａＩｎＡｓより小さなバンドギャップを有する。そのＧａＩｎＮＡｓを井戸層に用いることにより、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓからなるＭＱＷ構造(例えば、非特許文献３) と比べて、量子井戸内に形成される伝導帯と価電子帯の量子準位間遷移エネルギーは小さくなる。この量子準位間の遷移エネルギーは、量子井戸構造活性層からの発光波長に相当するため、本発明の構造ではＧａＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓからなるＭＱＷ構造と比べて発光波長を長波長側にシフトさせることができる。この効果は、上述した特願２００６−９９９８９５において、ＧａＩｎＮＡｓからなる歪バルク活性層がＧａＩｎＡｓからなる歪バルク活性層に対して見られた効果と同等のものである。
【００１９】
本発明では、井戸層にのみ材料としてＧａＩｎＮＡｓを適用し、バリア層には材料としてＧａＩｎＡｓを用いたＭＱＷ構造の活性層を提示する。この構成により、例えば図１に示すように、ＧａＩｎＮＡｓとＧａＩｎＡｓとのバンドギャップ差を利用して、井戸層（ＧａＩｎＮＡｓ）とバリア層（ＧａＩｎＡｓ）との間に大きな伝導帯バンドオフセットを有するＭＱＷ構造を得ることができる。
【００２０】
本発明における活性層により、ＭＱＷ構造の活性層に特有のバンド内電子・正孔準位の量子化効果が発現し、上述した特願２００６−９９９８９５におけるＧａＩｎＮＡｓのバルク構造の活性層と比べて、利得ピーク付近のスペクトル形状の平坦化や利得ピーク波長付近での雑音指数改善等の効果が得られる。更に、本発明における活性層は、井戸層及びバリア層を共にＧａＩｎＮＡｓを材料として構成したＭＱＷ構造と比べて、より大きな伝導帯バンドオフセットが実現される。従って、本発明によれば、井戸層及びバリア層の両層をＧａＩｎＮＡｓを材料として構成したＭＱＷ構造と比較して、井戸層の伝導帯のエネルギーレベルは同等ながらバリア層の伝導帯エネルギーレベルが高く保持されるため、伝導帯びバンドオフセットΔＥｃを高く保持した状態で、利得が長波長化される。このように本発明では、明確な量子効果が得られ、利得平坦化等に見られる効果が大きい。
【００２１】
なお、本発明を適用したＳＯＡでは、図１中のＧａＩｎＡｓからなるバリア層に印加する伸張歪量の調整により、偏波無依存の増幅特性が実現可能である。また、ＧａＩｎＮＡｓからなる井戸層における窒素（Ｎ）の組成率を増大させると、ＳＯＡの発光波長はより長波側にシフトするが、実使用状態で利得ピーク波長を１．５５μｍ帯に設定するためには、井戸層に加えるＮの組成率は、０．０５％〜０．５％程度であることが好ましい。ここで、Ｎの組成率が０．０５％より小値であると、発光波長を十分に長波長側にシフトすることができず、０．５％より大値であると、利得ピーク波長が狙いより長波長側にシフトし過ぎてしまう。
【００２２】
以上から、本発明を用いたＳＯＡの利得スペクトル形状は、特願２００６−９９９８９５の技術と同様に、Ｃバンド帯内に利得ピーク波長を有しながらも、量子効果の導入により特にピーク波長の短波側において利得スペクトルが平坦となる。また、利得ピークの短波側における雑音指数が特願２００６−９９９８９５の技術と比べて改善され、実効的な波長帯域を短波長側に大きく増大させることができる。
【００２３】
図２は、本発明におけるＭＱＷ構造のＳＯＡで測定した、ＡＳＥ中心波長（≒利得ピーク波長）の電流依存性を示す特性図である。
従来技術におけるＧａＩｎＡｓ（バリア層）／ＧａＩｎＡｓ（井戸層）のＭＱＷ構造のＳＯＡと比べて、本発明におけるＧａＩｎＡｓ（伸縮歪バリア層）／ＧａＩｎＮＡｓ（井戸層）のＭＱＷ構造のＳＯＡの中心波長は、２５ｎｍ〜３５ｎｍだけ長波長側にシフトしており、明確な利得ピーク波長の長波化効果が確認できる。
【００２４】
図３は、本発明におけるＭＱＷ構造のＳＯＡについて、特願２００６−９９９８９５の技術におけるＳＯＡとの比較に基づき、利得スペクトル形状と雑音指数の波長依存性とを測定した結果を示す特性図である。
本発明におけるＧａＩｎＡｓ（伸縮歪バリア層）／ＧａＩｎＮＡｓ（井戸層：Ｎ組成率０．１％）のＭＱＷ構造のＳＯＡでは、特願２００６−９９９８９５の技術におけるＧａＩｎＮＡｓの歪バルク構造の活性層(Ｎ組成率０．２％) のＳＯＡよりも、利得ピーク波長が短波長側の利得スペクトル形状が平坦であり、雑音指数も小さい。従って、本発明におけるＭＱＷ構造では、利得１０ｄＢ以上、雑音指数７ｄＢ以下で規定した実効的な波長帯域は、特願２００６−９９９８９５の技術に比べて５０ｎｍ程度増大している。
【００２５】
図４は、本発明におけるＭＱＷ構造のＳＯＡについて、井戸層及びバリア層を共にＧａＩｎＮＡｓで形成したＭＱＷ構造のＳＯＡとの比較に基づき、利得スペクトル形状と雑音指数の波長依存性とを測定した結果を示す特性図である。
本発明におけるＧａＩｎＡｓ（伸縮歪バリア層）／ＧａＩｎＮＡｓ（井戸層）のＭＱＷ構造のＳＯＡでは、ＧａＩｎＮＡｓ（バリア層）／ＧａＩｎＮＡｓ（井戸層）のＭＱＷ構造のＳＯＡよりも、利得ピーク波長が短波長側の利得スペクトル形状が平坦であり、雑音指数も小さい。従って、本発明におけるＭＱＷ構造では、利得１０ｄＢ以上、雑音指数７ｄＢ以下で規定した実効的な波長帯域は、井戸層及びバリア層を共にＧａＩｎＮＡｓで形成したＭＱＷ構造のＳＯＡに比べて７０ｎｍ程度増大している。
【００２６】
以上では、本発明におけるＭＱＷ構造のＳＯＡにおいて、ＭＱＷ構造の井戸層に無歪のＧａＩｎＮＡｓを用いた場合を説明したが、井戸層に圧縮歪を印加しても好適である。この場合、井戸層とバリア層との間の伝導帯バンドオフセットを更に大きくすることが可能となり、より明確な量子効果を利用することができ、更に平坦な利得スペクトル形状を持つＳＯＡが実現される。
【００２７】
−本発明を適用した具体的な諸実施形態−
以下、本発明を適用した具体的な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２８】
［第１の実施形態］
本実施形態では、本発明を適用したＳＯＡを開示する。
（ＳＯＡの構成）
図５は、第１の実施形態によるＳＯＡの概略構成を示す一部切り欠き斜視図、図６は図５の一点鎖線Ｉ−Ｉに沿った概略断面図である。ここで、ＳＯＡの前半分においては活性層の状態を表すように、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層１７、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層１８、ｐ−ＩｎＰクラッド層１６，１９、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２０、シリコン酸化膜２１、及びｐ型電極２２の図示を省略している。
【００２９】
本実施形態のＳＯＡは、例えば素子長１０００μｍ程度、素子幅３００μｍ程度の略直方体の素子形状とされており、矢印Ａ側が光入射端面、矢印Ｂ側が光出射端面であって、矢印Ａのように光入射端面から入射した入射信号光を増幅し、矢印Ｂのように光出射端面から出射信号光として出射する構成を採り、出射信号光が受ける利得が入射信号光の偏波状態に依らずに一定とされた偏波無依存型のＳＯＡである。
【００３０】
このＳＯＡでは、ｎ−ＩｎＰ基板１１上に、下部クラッド層を兼ねるｎ−ＩｎＰバッファ層１２を介して帯状にパターニングされてなるスポットサイズ変換器１が設けられている。更にそして、スポットサイズ変換器１の側面から埋め込むように電流狭窄構造２が形成され、スポットサイズ変換器１の上面及び電流狭窄構造２上を覆うように、上部クラッド層３及びｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２０が順次積層されている。更に、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２０上にスポットサイズ変換器１と平行となるように帯状にパターニングされたｐ型電極２２が設けられ、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２０上でｐ型電極２２の側面の一部を覆うようにシリコン酸化膜２１が形成されている。そして、光入射端面に無反射コート膜２４が、光出射端面に無反射コート膜２５がそれぞれ設けられ、裏面にｎ型電極２３が設けられて、ＳＯＡが構成されている。
【００３１】
スポットサイズ変換器１は、入射光の通路（光導波路）となる活性層１４が、ＩｎＧａＡｓＰを材料とする一対の光閉じ込め層（ＳＣＨ層）１３，１５で直接挟持されて構成されている。このスポットサイズ変換器１は、その幅が中央部位から光入射端面及び光出射端面へそれぞれ向かうにつれて徐々に狭くなる帯状、例えば、最大幅が２μｍ程度、最小幅が０．５μｍ程度に加工しても良く、光出射端面の法線に対して所定角度、例えば７°程度傾斜した状態に形成しても良い。上記のように活性層１４をテーパ幅状に形成することにより、伝搬光のスポットサイズが拡大し、光の結合効率を向上させることができる。また、光導波路を傾斜構造とすることにより、端面における共振を抑制し、反射率を低減させることが可能となる。
【００３２】
活性層１４は、図６に示すように、ＧａＩｎＡｓを材料としてなる伸張歪が印加されたバリア層１４ａと、ＧａＩｎＮＡｓを材料としてなる無歪の井戸層１４ｂとが交互に複数層、ここではバリア層１４ａが５層、井戸層１４ｂが４層に、バリア層１４ａ、井戸層１４ｂ、・・・、バリア層１４ａのように積層されたＭＱＷ構造として構成されている。
【００３３】
井戸層１４ｂでは、そのＧａＩｎＮＡｓにおける窒素（Ｎ）の組成率は、実使用状態で利得ピーク波長を１．５５μｍ帯に設定することを考慮して、０．０５％〜０．５％程度が適正範囲であり、例えば０．１％に調節する。
【００３４】
本実施形態では、井戸層１４ｂには歪を印加しない（無歪の）場合について例示する。ここで、井戸層１４ｂに圧縮歪を印加しても好適である。例えば、井戸層１４ｂのＧａＩｎＮＡｓに印加する圧縮歪は、ＧａＩｎＮＡｓの格子定数がｎ−ＩｎＰバッファ層１２の格子定数よりも大きくなるように、Ｇａ組成率とＩｎ組成率とを調整して井戸層１４ｂを形成することにより得られる。本実施形態では、井戸層１４ｂの圧縮歪量として０％以上０．３％以下の値が適正範囲であり、例えば０．１％の圧縮歪量（即ち＋０．１％の歪量）に調節する。従って、ここで用いるＧａＩｎＮＡｓをＧａ1-xＩｎxＮＡｓとすれば、０．５３２≦ｘ≦０．５７５が適正範囲であり、ここでは０．１％の圧縮歪量に対応すべくＩｎ組成率（ｘ）を０．５４６に調節する。
この場合、バリア層１４ａと井戸層１４ｂとの間の伝導帯バンドオフセットを更に大きくすることが可能となり、より明確な量子効果を利用することができ、更に平坦な利得スペクトル形状を持つＳＯＡが実現される。
【００３５】
バリア層１４ａのＧａＩｎＡｓに印加する伸張歪は、ＧａＩｎＡｓの格子定数がｎ−ＩｎＰバッファ層１２の格子定数よりも小さくなるように、Ｇａ組成率とＩｎ組成率とを調整してバリア層１４ａを形成することにより得られる。本実施形態では、バリア層１４ａの伸張歪量として０．５％以上１．２％以下の値が適正範囲であり、例えば０．８％の伸張歪量（即ち−０．８％の歪量）に調節する。従って、ここで用いるＧａＩｎＡｓをＧａ1-xＩｎxＡｓとすれば、０．３６≦ｘ≦０．４６が適正範囲であり、ここでは０．８％の伸張歪量に対応すべくＩｎ組成率（ｘ）を０．４２に調節する。
【００３６】
上記の構成により、ＭＱＷ構造の活性層１４のバリア層１４ａへの伸張歪の導入により偏波無依存化を実現するとともに、活性層１４の膜厚を薄くすることで高飽和光出力化を実現するも、ＧａＩｎＡｓに窒素（Ｎ）を添加したＧａＩｎＮＡｓを活性層１４の井戸層１４ｂの材料に用いることで当該活性層１４のバンドギャップを小さくして利得ピーク波長を長波化させ、活性層１４への高電流注入時にバンドフィリングが存在しても、特にＣ帯及びＬ帯における高利得化が実現する。
【００３７】
更に上記の構成により、利得ピーク波長を例えば１．５５μｍ帯の中心付近に保持しながら、その長波長側のみならず短波長側をも包含する広い波長領域で平坦な利得スペクトル及び低い雑音指数を実現し、且つ波長間利得差を小さく抑えることが可能となる。
【００３８】
ここで、光入射端面及び光出射端面から１０μｍ〜５０μｍ程度の領域には活性層１４が存在せず、例えば上部クラッド層３の一部が活性層１４の先端面を覆うように形成されるに構成しても良い。この構成により、スポットサイズ変換器１に結合する戻り光量を抑制し、更に反射率を低減させることが可能となる。
【００３９】
電流狭窄構造２は、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層１７と、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層１８とが順次積層されてなるものである。
上部クラッド層３は、スポットサイズ変換器１の上面を覆うｐ−ＩｎＰクラッド層１６と、このｐ−ＩｎＰクラッド層１６上及びｎ−ＩｎＰ電流ブロック層１８上を覆うｐ−ＩｎＰクラッド層１９とからなるものである。
【００４０】
本実施形態によるＳＯＡにおいては、劈開面、即ち光入射端面と光出射端面には無反射コート膜２４，２５が設けられているので、光入射端面と光出射端面との間における反射による光の共振は抑制され、例えば波長１．５５μｍ近傍の入力信号光を、活性層１４において誘導放出効果により増幅し、光出射端面から増幅した出力信号光として出射する。
【００４１】
（ＳＯＡの製造方法）
以下、本実施形態による偏波無依存型のＳＯＡの製造方法について説明する。
図７は、図６に対応しており、本実施形態による偏波無依存型のＳＯＡの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【００４２】
先ず、図７（ａ）に示すように、ｎ−ＩｎＰバッファ層１２、光閉じ込め層１３、活性層１４、光閉じ込め層１５、及びｐ−ＩｎＰクラッド層１６を順次形成する。
詳細には、ｎ−ＩｎＰ基板１１上に、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いて、例えば膜厚２００ｎｍ程度のｎ−ＩｎＰバッファ層１２、例えば膜厚１００ｎｍ程度で発光波長１．３μｍ程度のｉ−ＩｎＧａＡｓＰを材料とする光閉じ込め層１３を順次エピタキシャル成長する。
【００４３】
次に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、光閉じ込め層１３上に、例えば膜厚１０ｎｍ程度でＧａＩｎＡｓを材料とする０．８％の伸張歪を加えたバリア層１４ａと、例えば膜厚５ｎｍ程度でＧａＩｎＮＡｓ（Ｎ組成率０．１％）を材料とする無歪の井戸層１４ｂとを交互に４周期(バリア層１４ａが５層、井戸層１４ｂが４層に、バリア層１４ａ、井戸層１４ｂ、・・・、バリア層１４ａのように)、順次エピタキシャル成長し、ＭＱＷ構造の活性層１４を形成する。
【００４４】
次に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、例えば膜厚１００ｎｍ程度で発光波長１．３μｍ程度のｉ−ＩｎＧａＡｓＰを材料とする光閉じ込め層１５、及び膜厚２００ｎｍ程度のｐ−ＩｎＰクラッド層１６を順次堆積する。
【００４５】
続いて、図７（ｂ）に示すように、ｎ−ＩｎＰバッファ層１２の表層の一部、光閉じ込め層１３、活性層１４、光閉じ込め層１５、及びｐ−ＩｎＰクラッド層１６からなるストライプ状メサ構造を形成する。
詳細には、シリコン酸化膜２６を全面に堆積させた後、シリコン酸化膜２６を幅が１．０μｍ〜４．０μｍ、例えば、２．０μｍ程度のストライプ状の形状に加工する。
ここで、シリコン酸化膜２６を、例えばダイレクトコンタクト露光方式を用いて、光出射端面の法線に対して長軸が５°〜２０°、例えば７°傾斜するように形成しても良い。
【００４６】
そして、このストライプ状のシリコン酸化膜２６をマスクとして用いて、例えばＩＣＰ−反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、ｐ−ＩｎＰクラッド層１６、光閉じ込め層１５、活性層１４、光閉じ込め層１３を、ｎ−ＩｎＰバッファ層１２の表層の一部に達するまでメサエッチングする。これにより、例えば高さが１．５μｍ程度、活性層幅ｗが１．０μｍ〜４．０μｍ、例えば、２．０μｍ程度のストライプ状メサ構造を形成する。
【００４７】
この際、最終的な素子構造において、活性層１４の幅ｗが中央部位から光入射端面側及び光出射端面側へ向かって２．０μｍ程度から１．０μｍ程度に徐々に狭くなるテーパ状にして、光結合効率の増大を図るようにしても良い。
【００４８】
続いて、図７（ｃ）に示すように、電流狭窄構造２を形成する。
詳細には、ＭＯＣＶＤ法を用いて、シリコン酸化膜マスク２６をそのまま選択成長マスクとして用い、ストライプ状メサ構造の両側壁にｐ−ＩｎＰ電流ブロック層１７及びｎ−ＩｎＰ電流ブロック層１８を選択成長し、電流狭窄構造２を形成する。
【００４９】
続いて、図７（ｄ）に示すように、ｐ−ＩｎＰクラッド層１９、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２０、シリコン酸化膜２１、ｐ型電極２２、及びｎ型電極２３を順次形成する。
詳細には、マスクとして用いたシリコン酸化膜２６をウェットエッチング等により除去した後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、全面にｐ−ＩｎＰクラッド層１９及びｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２０を順次堆積する。
【００５０】
次に、全面にシリコン酸化膜２１を堆積し、ストライプ状メサ構造に投影的に重なる開口部を形成した後、ｐ型電極２２を形成するとともに、ｎ−ＩｎＰ基板１１の裏面にはｎ型電極２３を形成する。
【００５１】
続いて、図６のように、ｐ型電極２２及びｎ型電極２３の形成されたｎ−ＩｎＰ基板１１を素子長１ｍｍ程度のアレイに劈開面に沿って劈開した後、劈開面に無反射コート膜２４，２５を堆積する。無反射コート膜２４，２５を形成することにより、両端面の反射率を例えば１×１０-5以下に抑制し、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ＳＯＡが実現する。
【００５２】
更に、アレイをチップ劈開する。
以上の工程を経ることによって、本実施形態による偏波無依存型のＳＯＡの基本構成を完成させる。
【００５３】
以上説明したように、本実施形態によれば、利得ピーク波長を例えば１．５５μｍ帯の中心付近に保持しながら、その長波長側のみならず短波長側をも包含する広い波長領域で平坦な利得スペクトル及び低い雑音指数を実現し、且つ波長間利得差を小さく抑えることを可能とする高信頼性のＳＯＡが実現する。
【００５４】
（変形例）
ここで、第１の実施形態の変形例について説明する。
図８は、第１の実施形態の変形例におけるＳＯＡを示しており、第１の実施形態における図６に対応する概略断面図である。
【００５５】
本例によるＳＯＡは、第１の実施形態によるＳＯＡとほぼ同様の構成に形成されているが、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層１７と、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層１８とが順次積層されてなる電流狭窄構造２の代わりに、半絶縁性のＩｎＰ電流ブロック層からなる、電流狭窄構造２よりも高抵抗の電流狭窄構造３１が形成されている点で相違する。
【００５６】
なお、電流狭窄構造３１の形成に伴い、ｐ−ＩｎＰクラッド層１６，１９からなる上部クラッド層３の代わりに、スポットサイズ変換器１の上面のみを覆う上部クラッド層であるｐ−ＩｎＰクラッド層３２が形成されている。また、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２０の代わりに、ｐ−ＩｎＰクラッド層３２の上面のみを覆うｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層３３が形成されている。
【００５７】
上記構成の偏波無依存型のＳＯＡを作製するには、先ず第１の実施形態と同様に、ＭＯＣＶＤ法によるｎ−ＩｎＰバッファ層１２、光閉じ込め層１３、ＭＱＷ構造の活性層１４、光閉じ込め層１５、ｐ−ＩｎＰクラッド層３２、及びｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層３３を順次形成する。ここで、ｐ−ＩｎＰクラッド層３２は例えば膜厚１５００ｎｍ程度に、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層３３は例えば膜厚５００ｎｍ程度にそれぞれ形成する。そして、第１の実施形態と同様に、ストライプ状のシリコン酸化膜２６をマスクとして用いて、ＩＣＰ−ＲＩＥにより、ｎ−ＩｎＰバッファ層１２の表面の一部に達するまでメサエッチングする。これにより、例えば高さが３μｍ程度、活性層幅ｗが１．０μｍ〜４．０μｍ、例えば、２．０μｍ程度の、ｎ−ＩｎＰバッファ層１２の表層の一部、光閉じ込め層１３、活性層１４、光閉じ込め層１５、ｐ−ＩｎＰクラッド層３２、及びｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層３３からなるストライプ状メサ構造が形成される。
【００５８】
続いて、ＭＯＣＶＤ法を用いて、シリコン酸化膜２６をそのまま選択成長マスクとして用い、ストライプ状メサ構造の側壁に半絶縁性のＩｎＰ（ＳＩ−ＩｎＰ）からなる高抵抗の電流狭窄構造３１を形成する。
【００５９】
そして、第１の実施形態と同様に、マスクとして用いたシリコン酸化膜２６を除去した後、全面にシリコン酸化膜２１を堆積し、ストライプ状メサ構造に投影的に重なる開口部を形成した後、ｐ型電極２２を形成するとともに、ｎ−ＩｎＰ基板１１の裏面にはｎ型電極２３を形成する。
【００６０】
続いて、ｐ型電極２２及びｎ型電極２３の形成されたｎ−ＩｎＰ基板１１を素子長１ｍｍ程度のアレイに劈開面に沿って劈開した後、劈開面に無反射コート膜２４，２５を堆積する。無反射コート膜２４，２５を形成することにより、両端面の反射率を例えば１×１０-5以下に抑制し、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ＳＯＡが実現する。
【００６１】
更に、アレイをチップ劈開する。
以上の工程を経ることによって、本実施形態による偏波無依存型のＳＯＡの基本構成を完成させる。
【００６２】
以上説明したように、本例によれば、利得ピーク波長を例えば１．５５μｍ帯の中心付近に保持しながら、その長波長側のみならず短波長側をも包含する広い波長領域で平坦な利得スペクトル及び低い雑音指数を実現し、且つ波長間利得差を小さく抑えることを可能とする高信頼性のＳＯＡが実現する。
【００６３】
［第２の実施形態］
本実施形態では、第１の実施形態によるＳＯＡを用いたシステム構成であるＳＯＡモジュールを開示する。なお、第１の実施形態の代わりにその変形例によるＳＯＡを適用しても良い。
図９は、第２の実施形態によるＳＯＡモジュールの概略構成を示す模式図である。
【００６４】
本実施形態のＳＯＡモジュールは、ＳＯＡモジュール筐体４１と、このＳＯＡモジュール筐体４１の前後に配設された一対の接続モジュール筐体４２，４３と、各接続モジュール筐体４２，４３に設けられた光ファイバ４４，４５とを備えて構成されている。
【００６５】
ＳＯＡモジュール筐体４１は、その内部に、ペルチェ素子５１と、ペルチェ素子５１上に設けられた、ＳＯＡ４０と、サーミスタ５２と、一対の集光レンズ５３ａ，５３ｂとを備えて構成されている。
ＳＯＡ４０は、第１の実施形態によるＳＯＡであり、ＭＱＷ構造の活性層１４が光導波路とされている。なお、図示の便宜上、ＳＯＡ４０としては、ｎ−ＩｎＰ基板１１及びスポットサイズ変換器１のみを示す。
ペルチェ素子５１及びサーミスタ５２は、ＳＯＡ４０の温度を適宜制御するものである。
一対の集光レンズ５３ａ，５３ｂは、ＳＯＡ４０の前後に設けられ、信号光を集光しその方向を指向するものである。
【００６６】
接続モジュール筐体４２は、ＳＯＡモジュール筐体４１の前段部位に配設されており、その内部に、集光レンズ５４と、アイソレータ５５とを備えて構成されている。
接続モジュール筐体４３は、ＳＯＡモジュール筐体４１の後段部位に配設されており、その内部に、アイソレータ５６と、集光レンズ５７とを備えて構成されている。
アイソレータ５５，５６は、接続モジュール筐体４２，４３の内部における信号光の進行方向を一方向に制限するものであり、ＳＯＡ４０や集光レンズ５３ａ，５３ｂ等から生じたモジュール内反射光が入力側の光ファイバ４４に戻ることを抑制したり、モジュール外部からの反射光がＳＯＡ４０に入力することを抑制する。
【００６７】
このＳＯＡモジュールでは、光ファイバ４４を通過した光信号は、接続モジュール筐体４２に入力し、集光レンズ５４を通ってアイソレータ５５で進行方向が一方向に制限された後、ＳＯＡモジュール筐体４１に入力する。ＳＯＡモジュール筐体４１において、集光レンズ５３ａを通過した光信号は、ペルチェ素子５１及びサーミスタ５２により制御調節されたＳＯＡ４０のスポットサイズ変換器１（活性層１４）を通過して光増幅された後、集光レンズ５３ｂを通って接続モジュール筐体４３に入力する。そして、信号光は、アイソレータ５６で進行方向が一方向に制限されて集光レンズ５７を通過し、光ファイバ４５を通って出力される。
【００６８】
なお、本実施形態で開示したＳＯＡモジュールは、本発明を適応した一例に過ぎず、本発明は上記の各構成部材及びこれらの配置状態に限定されるものではない。
【００６９】
以上説明したように、本実施形態によれば、利得ピーク波長を例えば１．５５μｍ帯の中心付近に保持しながら、その長波長側のみならず短波長側をも包含する広い波長領域で平坦な利得スペクトル及び低い雑音指数を実現し、且つ波長間利得差を小さく抑えることを可能とする高信頼性のＳＯＡモジュールが実現する。
【００７０】
［第３の実施形態］
本実施形態では、単一の半導体基板上に第１の実施形態の変形例によるＳＯＡを複数用いた半導体光集積素子である光ゲートスイッチを開示する。なお、変形例の代わりに第１の実施形態によるＳＯＡを適用しても良い。
【００７１】
（光ゲートスイッチの構成）
図１０−１は、第３の実施形態によるＳＯＡモジュールの概略構成を示す模式図であり、図１０−２（ａ）は図１０−１の一点鎖線Ｉ−Ｉに沿った概略断面図、図１０−２（ｂ）は図１０−１の一点鎖線ＩＩ−ＩＩに沿った概略断面図、図１０−２（ｃ）は図１０−１の一点鎖線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った概略断面図である。なお、図示の便宜上、図１０−２（ｃ）では２つの光導波路部８１ａ，８１ｂのみを示す。
【００７２】
本実施形態の光ゲートスイッチは、１×８チャネル構成とされており、単一のｎ−ＩｎＰ基板１１上に、並列して集積されてなる複数、ここでは８つのＳＯＡ８０ａ〜８０ｆと、一端でＳＯＡ８０ａ〜８０ｆにそれぞれ接続されてなる光導波路部８１ａ〜８１ｆと、光導波路部８１ａ〜８１ｆの他端と接続された光カプラ８２と、一端で光カプラ８２に接続された光導波路８３と、光導波路８３の他端と接続されたＳＯＡ６０とを備えて構成されている。
【００７３】
ＳＯＡ８０ａ〜８０ｆ，６０は、それぞれｎ−ＩｎＰ基板１１と共に第１の実施形態の変形例によるＳＯＡを構成しており、ＭＱＷ構造の活性層１４が光導波路とされている。ＳＯＡ８０ａ〜８０ｆは、例えばこの順で信号光の入力チャネルｃｈ１〜ｃｈ８とされており、ＳＯＡ６０は信号光の出力チャネルとされている。
図１０−２（ａ）は、ＳＯＡ６０の概略断面を示しており、図示の便宜上、図８の構成部材のうち、ｎ−ＩｎＰ基板１１と、ｎ−ＩｎＰバッファ層１２と、光閉じ込め層１５、活性層１４、光閉じ込め層１３からなるスポットサイズ変換器１と、ｐ−ＩｎＰクラッド層３２と、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層３３と、これらの両側面を覆う半絶縁性のＩｎＰ電流ブロック層からなる電流狭窄構造３１と、シリコン酸化膜２１と、ｐ型電極２２のみを示す。
【００７４】
光導波路部８１ａ〜８１ｆは、図１０−２（ｃ）に示すように、ＳＯＡ８０ａ〜８０ｆと光カプラ８２とを接続するものであり、ＳＯＡ８０ａ〜８０ｆとバットジョイント接合されている。光導波路部８３は、光カプラ８２とＳＯＡ６０とを接続するものであり、ＳＯＡ６０とバットジョイント接合されている。
【００７５】
光導波路部８１ａ〜８１ｆ，８３は、ＳＯＡ８０ａ〜８０ｆ，６０のｎ−ＩｎＰバッファ層１２と同一材料を加工してなるｎ−ＩｎＰクラッド層６１と、信号光よりバンドギャップが広い例えばｉ−ＩｎＧａＡｓＰを材料としてなり光導波路となるコア層６２と、ｐ−ＩｎＰクラッド層６３と、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層６５とが積層されてストライプ状メサ構造が形成されており、このストライプ状メサ構造の両側を覆うように、ＳＯＡ８０ａ〜８０ｆ，６０の電流狭窄構造３１と同一材料（半絶縁性のＩｎＰ）が設けられ、電流狭窄構造６４が形成されて構成されている。
【００７６】
光カプラ８２は、図１０−２（ｂ）に示すように、光導波路部８１ａ〜８１ｆ，８３と同一材料で同時形成されるものである。ここで、メサ構造を形成する際に、光導波路部８１ａ〜８１ｆ，８３とは異なり平面視で例えば図１０−１で示すような三角形状となるように加工されて、三角形状メサ構造が形成され、この三角形状メサ構造の周囲を覆うように、電流狭窄構造６４が形成されて構成されている。
【００７７】
本実施形態の光ゲートスイッチでは、ｃｈ１〜ｃｈ８であるＳＯＡ８０ａ〜８０ｆにそれぞれ信号光が入力し、各信号光が増幅されて光導波路部８１ａ〜８１ｆを通って光カプラ８２に入力する。光カプラ８２では、光導波路部８１ａ〜８１ｆから入射された信号光を合波して光導波路８３に出力する。光カプラ８２を通過した信号光は、光導波路部８３を通り、続くＳＯＡ６０で増幅されて出力される。
【００７８】
ＳＯＡは、電流を注入した際には光利得を生じ、電流を注入しないときには非常に高効率に光を吸収するため、電流のオン／オフによって光ゲートの役割を実現できる。本実施形態では、ＳＯＡ８０ａ〜８０ｆにそれぞれ任意に電流を注入できる電流源（不図示）を設け、この電流源により、ＳＯＡ８０ａ〜８０ｆのうちから選択する１つのＳＯＡにのみ電流を注入し、他の７つのＳＯＡには電流を注入しないように構成することで、当該１つの光導波路部からの信号光のみが光カプラ８２を通過するように制御する。
【００７９】
ＳＯＡ６０は、光カプラ８２で生じる光損失(１×８ｃｈ構成の場合には、原理的に９ｄＢ以上)を補償するために配置したものであり、常にこのＳＯＡ６０に電流を注入しておくことにより、光ゲートスイッチ全体で光増幅の機能を実現することができる。
【００８０】
（光ゲートスイッチの製造方法）
以下、本実施形態による偏波無依存型の光ゲートスイッチの製造方法について説明する。
図１１，図１２，図１３は、本実施形態による偏波無依存型の光ゲートスイッチの製造方法を工程順に示す概略平面図である。図１４（ａ）〜図１４（ｃ）は、図１１の一点鎖線Ｉ−Ｉ，ＩＩ−ＩＩ，ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った概略断面図、図１５（ａ）〜図１５（ｃ）は、図１２の一点鎖線Ｉ−Ｉ，ＩＩ−ＩＩ，ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った概略断面図、図１６（ａ）〜図１６（ｃ）は、図１３の一点鎖線Ｉ−Ｉ，ＩＩ−ＩＩ，ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った概略断面図である。
【００８１】
ここで、図１４（ａ），図１５（ａ），図１６（ａ）は、図１０−２（ａ）（ＳＯＡ６０の概略断面：ＳＯＡ８０ａ〜８０ｆも同様）に対応している。図１４（ｂ），図１５（ｂ），図１６（ｂ）は、図１０−２（ｂ）（光カプラ８２の概略断面）に対応している。図１４（ｃ），図１５（ｃ），図１６（ｃ）は、図１０−２（ｃ）（光導波路部８１ａ〜８１ｆ（のうちの８１ａ，８１ｂ）の概略断面：光導波路部８３も同様に形成される。）に対応している。
【００８２】
先ず、図１１，図１４（ａ）〜（ｃ）に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板１１上において、ＳＯＡの形成領域７１にはｎ−ＩｎＰバッファ層１２、光閉じ込め層１３、活性層１４、光閉じ込め層１５、及びｐ−ＩｎＰクラッド層３２を、光カプラの形成領域７２及び光導波路部の形成領域７３にはｎ−ＩｎＰクラッド層６１、コア層６２、及びｐ−ＩｎＰクラッド層６３を、それぞれ順次形成する。
【００８３】
詳細には、ｎ−ＩｎＰ基板１１の全面に、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いて、ｎ−ＩｎＰ基板１１の全面に例えば膜厚２００ｎｍ程度のｎ−ＩｎＰをエピタキシャル成長する。このｎ−ＩｎＰは、ＳＯＡの形成領域７１ではｎ−ＩｎＰバッファ層１２、光カプラの形成領域７２及び光導波路部の形成領域７３ではｎ−ＩｎＰクラッド層６１となる。
【００８４】
次に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ−ＩｎＰ基板１１の全面に、例えば膜厚１００ｎｍ程度で発光波長１．３μｍ程度のｉ−ＩｎＧａＡｓＰをエピタキシャル成長し、ＳＯＡ８０ａ〜８０ｆ，６０の構成部材となる光閉じ込め層１３を形成する。
【００８５】
次に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ−ＩｎＰ基板１１の全面に、伸張歪を加えた例えば膜厚１０ｎｍ程度のＧａＩｎＡｓと、無歪の例えば膜厚５ｎｍ程度のＧａＩｎＮＡｓ（Ｎ組成率０．１％）とを、交互に４層ずつ（４周期で）順次エピタキシャル成長する。ＳＯＡの形成領域７１では、ＳＯＡ８０ａ〜８０ｆ，６０の構成部材として、ＧａＩｎＡｓはバリア層１４ａ、ＧａＩｎＮＡｓは井戸層１４ｂとなり、４層ずつの交互積層によりＭＱＷ構造の活性層１４となる。
【００８６】
次に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ−ＩｎＰ基板１１の全面に、膜厚１００ｎｍ程度で発光波長１．３μｍ程度のｉ−ＩｎＧａＡｓＰ、及び膜厚２００ｎｍ程度のｐ−ＩｎＰを順次エピタキシャル成長する。ＳＯＡの形成領域７１では、ＳＯＡ８０ａ〜８０ｆ，６０の構成部材として、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰは光閉じ込め層１５となり、ｐ−ＩｎＰはｐ−ＩｎＰクラッド層３２の一部となる。
【００８７】
次に、シリコン酸化膜（不図示）を全面に堆積させた後、リソグラフィー及びドライエッチングによりシリコン酸化膜を加工し、ＳＯＡの形成領域７１のみにシリコン酸化膜を残す。このシリコン酸化膜をマスクとしてドライエッチングし、光カプラの形成領域７２及び光導波路部の形成領域７３におけるｐ−ＩｎＰクラッド層３２、光閉じ込め層１５、活性層１４、及び光閉じ込め層１３を除去する。
次に、シリコン酸化膜を除去した光カプラの形成領域７２及び光導波路部の形成領域７３に、膜厚２００ｎｍ程度で組成波長１．３μｍ程度のｉ−ＩｎＧａＡｓＰと、膜厚３００ｎｍ程度のｐ−ＩｎＰとを順次バットジョイント成長する。光導波路部８１ａ〜８１ｆ，８３及び光カプラ８２の構成部材として、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰはコア層６２となり、ｐ−ＩｎＰはｐ−ＩｎＰクラッド層６３の一部となる。
【００８８】
次に、マスクとして用いたシリコン酸化膜をウェットエッチング等により除去した後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ−ＩｎＰ基板１１の全面に、膜厚２μｍ程度のｐ−ＩｎＰと、膜厚５００ｎｍ程度で組成波長１．３μｍ程度のｐ−ＩｎＧａＡｓＰとをエピタキシャル成長する。ＳＯＡの形成領域７１では、ＳＯＡ８０ａ〜８０ｆ，６０の構成部材として、ｐ−ＩｎＰはｐ−ＩｎＰクラッド層３２の一部となり、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰはｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層３３となる。また、光導波路部８１ａ〜８１ｆ，８３及び光カプラ８２の構成部材として、ｐ−ＩｎＰはｐ−ＩｎＰクラッド層６３の一部となり、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰはｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層６５となる。
【００８９】
続いて、図１２，図１５（ａ）〜（ｃ）に示すように、ＳＯＡの形成領域７１には、ｎ−ＩｎＰバッファ層１２、光閉じ込め層１３、活性層１４、光閉じ込め層１５、ｐ−ＩｎＰクラッド層３２、及びｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層３３からなるストライプ状メサ構造を、光導波路部の形成領域７３には、ｎ−ＩｎＰクラッド層６１、コア層６２、ｐ−ＩｎＰクラッド層６３、及びｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層６５からなるストライプ状メサ構造を、光カプラの形成領域７２には光導波路部の形成領域７３と同構成で三角形状メサ構造を、例えば図１０−１のように一体に接続された形状に形成する。
【００９０】
詳細には、ｎ−ＩｎＰ基板１１の全面にシリコン酸化膜６６を堆積した後、リソグラフィー及びドライエッチングによりシリコン酸化膜６６を加工する。ここでは、図１０−１のＳＯＡ８０ａ〜８０ｆ、光導波路部８１ａ〜８１ｆ、光カプラ８２、光導波路８３、及びＳＯＡ６０のうち、電流狭窄構造３１，６４を除く部分と同様に、一体化された形状にシリコン酸化膜６６を加工する。
【００９１】
そして、シリコン酸化膜６６をマスクとして用いて、例えばＩＣＰ−反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりメサエッチングを行う。
このとき、ＳＯＡの形成領域７１では、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層３３、ｐ−ＩｎＰクラッド層３２、光閉じ込め層１５、活性層１４、光閉じ込め層１３、及びｎ−ＩｎＰバッファ層１２を加工する。また、光カプラの形成領域７２及び光導波路部の形成領域７３では、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層６５、ｐ−ＩｎＰクラッド層６３、コア層６２、及びｎ−ＩｎＰクラッド層６１を加工する。
これにより、シリコン酸化膜６６の形状に倣った、各ストライプ状メサ構造及び三角形状メサ構造が接続されてなる一連のメサ構造が形成される。
【００９２】
続いて、図１３，図１６（ａ）〜（ｃ）に示すように、一連のメサ構造に電流狭窄構造３１，６４を形成する。
詳細には、ＭＯＣＶＤ法を用いて、シリコン酸化膜マスク６６をそのまま選択成長マスクとして用い、一連のメサ構造の両側壁に、例えばＦｅをドープした半絶縁性ＩｎＰを均一且つ平坦に選択成長し、電流狭窄構造３１，６４を形成する。
その後、マスクとして用いたシリコン酸化膜６６をウェットエッチング等により除去する。
【００９３】
しかる後、図７（ｄ）及び図６と同様に、ＳＯＡ電極であるｐ型電極２２及びｎ型電極２３や無反射コート膜２４，２５の形成、チップ劈開の工程を経て、ＳＯＡ８０ａ〜８０ｆ、光導波路部８１ａ〜８１ｆ、光カプラ８２、光導波路８３、及びＳＯＡ６０を形成し、光ゲートスイッチを完成させる。なお、図１６（ｃ）では、ｎ型電極２３及び無反射コート膜２４，２５の図示を省略する。
【００９４】
以上説明したように、本実施形態によれば、利得ピーク波長を例えば１．５５μｍ帯の中心付近に保持しながら、その長波長側のみならず短波長側をも包含する広い波長領域で平坦な利得スペクトル及び低い雑音指数を実現し、且つ波長間利得差を小さく抑えることを可能とする高信頼性の光ゲートスイッチが実現する。
【００９５】
なお、第１の実施形態で開示したＳＯＡは、ＳＯＡモジュールや光ゲートスイッチの他にも、例えば半導体レーザ、光変調器、位相変調器、光フィルタ、光カプラ等の機能素子等と共に例えば単一基板上に集積し、様々な機能を持つ装置構成を実現することができる。
【００９６】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００９７】
（付記１）
半導体基板と、
前記半導体基板の上方に設けられた活性層と
を含み、
前記活性層の光入射端面及び光出射端面における反射による光の共振を抑制して、前記光入射端面から入射した入射信号光を増幅して前記光出射端面から出射信号光として出射し、前記出射信号光が受ける利得が前記入射信号光の偏波状態に依らずに一定とされた半導体光増幅装置であって、
前記半導体基板は、ＩｎＰを材料としてなるとともに、
前記活性層は、伸張歪が印加されたＧａＩｎＡｓを材料としてなるバリア層と、ＧａＩｎＮＡｓを材料としてなる井戸層とが交互に１層又は複数層積層された多重量子井戸構造とされてなることを特徴とする半導体光増幅装置。
【００９８】
（付記２）前記井戸層は、無歪の状態とされていることを特徴とする付記１に記載の半導体光増幅装置。
【００９９】
（付記３）前記井戸層は、圧縮歪が印加された状態とされていることを特徴とする付記１に記載の半導体光増幅装置。
【０１００】
（付記４）前記井戸層は、ＧａＩｎＮＡｓにおける窒素（Ｎ）の組成率が０．０５％以上０．５％以下の範囲内の値とされてな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装置。
【０１０１】
（付記５）前記活性層を上下で挟持する一対のクラッド層を更に含む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装置。
【０１０２】
（付記６）前記光入射端面及び前記光出射端面では、前記クラッド層が前記活性層の先端面を覆うように形成されていることを特徴とする付記５に記載の半導体光増幅装置。
【０１０３】
（付記７）前記活性層の周囲をｐ型ＩｎＰ及びｎ型ＩｎＰの積層体で埋め込む電流狭窄構造を更に含む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装置。
【０１０４】
（付記８）前記活性層の周囲を半絶縁性ＩｎＰで埋め込む電流狭窄構造を更に含む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装置。
【０１０５】
（付記９）前記活性層は、その中央部位から前記光入射端面及び前記光出射端面の方向へ向けて、その幅が徐々に狭くなるように形成されてな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装置。
【０１０６】
（付記１０）前記活性層は、前記半導体基板の劈開面に対して垂直方向から傾いた角度を持って形成されていることを特徴とする付記１〜９のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置。
【０１０７】
（付記１１）信号光を入力する入力部と、
前記入力部を通過した前記信号光を増幅する半導体光増幅装置と、
前記半導体光増幅装置で増幅された前記信号光を出力する出力部と、
前記入力部と前記半導体光増幅装置との間、及び前記半導体光増幅装置と前記出力部との間の少なくとも一方に配設されてなる集光部と
を含み、
前記半導体光増幅装置は、
半導体基板と、
前記半導体基板の上方に設けられた活性層と
を有し、
前記活性層の光入射端面及び光出射端面における反射による光の共振を抑制して、前記光入射端面から入射した入射信号光を増幅して前記光出射端面から出射信号光として出射し、前記出射信号光が受ける利得が前記入射信号光の偏波状態に依らずに一定とされており、
前記半導体基板は、ＩｎＰを材料としてなるとともに、
前記活性層は、伸張歪が印加されたＧａＩｎＡｓを材料としてなるバリア層と、ＧａＩｎＮＡｓを材料としてなる井戸層とが交互に１層又は複数層積層された多重量子井戸構造とされてなることを特徴とする半導体光増幅システム。
【０１０８】
（付記１２）前記井戸層は、無歪の状態とされていることを特徴とする付記１１に記載の半導体光増幅システム。
【０１０９】
（付記１３）前記井戸層は、圧縮が印加された状態とされていることを特徴とする付記１１に記載の半導体光増幅システム。
【０１１０】
（付記１４）ＩｎＰを材料としてなる半導体基板と、
前記半導体基板上に集積されており、前記半導体基板を含み構成されてなる複数の半導体光増幅装置と
を含み、
前記各半導体光増幅装置は、
前記半導体基板の上方に設けられた活性層を有し、
前記活性層の光入射端面及び光出射端面における反射による光の共振を抑制して、前記光入射端面から入射した入射信号光を増幅して前記光出射端面から出射信号光として出射し、前記出射信号光が受ける利得が前記入射信号光の偏波状態に依らずに一定とされており、
前記活性層は、伸張歪が印加されたＧａＩｎＡｓを材料としてなるバリア層と、ＧａＩｎＮＡｓを材料としてなる井戸層とが交互に１層又は複数層積層された多重量子井戸構造とされてなることを特徴とする半導体光集積素子。
【０１１１】
（付記１５）前記井戸層は、無歪の状態とされていることを特徴とする付記１４に記載の半導体光集積素子。
【０１１２】
（付記１６）前記井戸層は、圧縮が印加された状態とされていることを特徴とする付記１４に記載の半導体光集積素子。
【０１１３】
（付記１７）前記半導体基板上に、
信号光が入力自在に並設された入力部である複数の前記半導体光増幅装置と、
前記各半導体光増幅装置のうちで任意の１つの前記半導体光増幅装置からの前記信号光のみを通過させる光カプラと、
前記光カプラを通過した前記信号光を増幅して出力する出力部である前記半導体光増幅装置と
が配設されてなることを特徴とする付記１４〜１６のいずれか１項に記載の半導体光集積素子。
【０１１４】
（付記１８）前記入力部である前記各半導体光増幅装置と前記光カプラとの間、及び前記光カプラと前記出力部である前記半導体光増幅装置との間に、それぞれ光導波路が設けられている特徴とする付記１７に記載の半導体光集積素子。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明のＳＯＡにおける活性層内のバンド状態を示す模式図である。
【図２】本発明におけるＭＱＷ構造のＳＯＡで測定した、ＡＳＥ中心波長（≒利得ピーク波長）の電流依存性を示す特性図である。
【図３】本発明におけるＭＱＷ構造のＳＯＡについて、特願２００６−９９９８９５の技術におけるＳＯＡとの比較に基づき、利得スペクトル形状と雑音指数の波長依存性とを測定した結果を示す特性図である。
【図４】本発明におけるＭＱＷ構造のＳＯＡについて、井戸層及びバリア層を共にＧａＩｎＮＡｓで形成したＭＱＷ構造のＳＯＡとの比較に基づき、利得スペクトル形状と雑音指数の波長依存性とを測定した結果を示す特性図である。
【図５】第１の実施形態によるＳＯＡの概略構成を示す一部切り欠き斜視図である。
【図６】図５の一点鎖線Ｉ−Ｉに沿った概略断面図である。
【図７】本実施形態による偏波無依存型のＳＯＡの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図８】図８は、第１の実施形態の変形例におけるＳＯＡを示す概略断面図である。
【図９】図９は、第２の実施形態によるＳＯＡモジュールの概略構成を示す模式図である。
【図１０−１】第３の実施形態によるＳＯＡモジュールの概略構成を示す模式図である。
【図１０−２】図１０Ａの一点鎖線Ｉ−Ｉ，ＩＩ−ＩＩ，ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った概略断面図である。
【図１１】第３の実施形態による偏波無依存型の光ゲートスイッチの製造方法を工程順に示す概略平面図である。
【図１２】第３の実施形態による偏波無依存型の光ゲートスイッチの製造方法を工程順に示す概略平面図である。
【図１３】第３の実施形態による偏波無依存型の光ゲートスイッチの製造方法を工程順に示す概略平面図である。
【図１４】図１１の一点鎖線Ｉ−Ｉ，ＩＩ−ＩＩ，ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った概略断面図である。
【図１５】図１２の一点鎖線Ｉ−Ｉ，ＩＩ−ＩＩ，ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った概略断面図である。
【図１６】図１３の一点鎖線Ｉ−Ｉ，ＩＩ−ＩＩ，ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った概略断面図である。
【符号の説明】
【０１１６】
１  スポットサイズ変換器
２、３１  電流狭窄構造
３  上部クラッド層
１１  ｎ−ＩｎＰ基板
１３，１５  光閉じ込め層（ＳＣＨ層）
１４  活性層
１４ａ  バリア層
１４ｂ  井戸層
１６，３２  ｐ−ＩｎＰクラッド層
１７  ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層
１８  ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層
１９  ｐ−ＩｎＰクラッド層
２０，３３  ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
２１  シリコン酸化膜
２２  ｐ型電極
２３  ｎ型電極
２４，２５  無反射コート膜
４０  ＳＯＡ
４１  ＳＯＡモジュール筐体
４２，４３  接続モジュール筐体
４４，４５  光ファイバ
５１  ペルチェ素子
５２  サーミスタ
５３ａ，５３ｂ，５４，５７  集光レンズ
５５，５６  アイソレータ
６０，８０ａ〜８０ｆ  ＳＯＡ
８１ａ〜８１ｆ  光導波路部
８２  光カプラ
８３  光導波路
【図１】
2008311536.tif 000003
【図２】
2008311536.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008311536.tif 000006
【図５】
2008311536.tif 000007
【図６】
2008311536.tif 000008
【図７】
2008311536.tif 000009
【図８】
2008311536.tif 000010
【図９】
2008311536.tif 000011
【図１０−１】
2008311536.tif 000012
【図１０−２】
2008311536.tif 000013
【図１１】
2008311536.tif 000014
【図１２】
2008311536.tif 000015
【図１３】
2008311536.tif 000016
【図１４】
2008311536.tif 000017
【図１５】
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【図１６】
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