(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端面から第２の端面まで延在する基板と、
前記基板上に形成された第１の導電型の第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層上に形成され、各々前記第１のクラッド層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有する複数の活性層と、
前記複数の活性層の間に介在し、前記活性層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する少なくとも一のスペーサ層と、
前記基板上に、前記複数の活性層および前記少なくとも一のスペーサ層を覆うように形成された第２のクラッド層と、
前記複数の活性層の各々に前記第１のクラッド層を介してキャリアを注入する第１の電極と、
前記複数の活性層の各々に前記第２のクラッド層を介してキャリアを注入する第２の電極とよりなり、
前記スペーサ層は１００ｎｍ以上の厚さを有し、
前記複数の活性層の各々は、３０ｎｍを超える厚さを有し、かつ、
前記複数の活性層の各々は伸張歪を蓄積することを特徴とする半導体光増幅器。
【請求項２】
前記複数の活性層と前記少なくとも一のスペーサ層とは活性層構造を形成し、前記活性層構造は、前記基板上において前記活性層よりも大きなバンドギャップを有する一対の光閉じ込め層により挟持されてい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】
前記スペーサ層は２００ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１または２記載の半導体光増幅器。
【請求項４】
前記複数の活性層の各々は、約４０ｎｍの厚さを有することを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の半導体光増幅器。
【請求項５】
前記複数の活性層の各々は、０．１８％以下の伸張歪を蓄積することを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載の半導体光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に光半導体装置に係り、特に半導体光増幅器に関する。
【０００２】
光ファイバ通信システムでは光信号を増幅するのに光増幅器が使われる。最近の波長多重化光信号を伝送する光ファイバ通信システムでは、合波あるいは分波のために多数の光学部品が使われるが、かかる光学部品による光損失を補償するためには多数の小型で低消費電力の半導体光増幅器が必要とされている。
【０００３】
光ファイバ中を伝播する光信号は一般に偏波状態がランダムであるため、かかる光ファイバ中の光信号を光増幅する半導体光増幅器も偏波無依存型の半導体光増幅器である必要がある。
【０００４】
【従来の技術】
図１（Ａ），（Ｂ）は従来の典型的な半導体光増幅器１０の構成を示す。
【０００５】
図１（Ａ）を参照するに、半導体光増幅器１０はｎ型ＩｎＰ基板１１上に形成されており、レ−ザダイオ−ドと類似した層構造を有している。すなわち前記基板１１上にはｎ型ＩｎＰよりなる第１のクラッド層１２が形成され、前記第１のクラッド層１２上には非ドープＩｎＧａＡｓＰよりなる第１の光閉じ込め層１３が形成される。前記第１の光閉じ込め層１３上には非ドープＩｎＧａＡｓよりなる活性層１４が形成され、前記活性層１４上には非ドープＩｎＧａＡｓＰよりなる第２の光閉じ込め層１５と、ｐ型ＩｎＰよりなる第２のクラッド層１６とｐ型ＩｎＧａＡｓによるコンタクト層１６Ａとが順次形成される。さらに前記コンタクト層１６Ａ上にはｐ型電極１７が、前記基板１１の下面にはｎ型電極１８が形成される。
【０００６】
前記半導体光増幅器１０は反射防止膜１０Ａおよび１０Ｂをそれぞれ形成された入射端と出射端とを有し、前記電極１７，１８間に駆動バイアスを印加した状態で前記入射端に前記反射防止膜１０Ａを介して入射光を導入すると、前記入射光は出射端に向って前記活性層１４中を導波される際に、誘導放出により増幅される。
【０００７】
図１（Ｂ）は前記半導体光増幅器１０の端面図である。
【０００８】
図１（Ｂ）を参照するに、前記基板１１上に形成されたクラッド層１２，光閉じ込め層１３，活性層１４および光閉じ込め層１５を含む層構造はエッチングにより前記光増幅器１０の軸方向に延在するメサストライプを形成し、前記メサストライプの両側にはｎ型ＩｎＰよりなる電流狭搾層１１Ａ，１１Ｂおよびｐ型ＩｎＰよりなる電流狭搾層１１Ｃ，１１Ｄが形成されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような半導体光増幅器１０を光ファイバ通信システムにおいて使う場合には、先にも説明したように光増幅作用が入射光の偏波に無依存に生じる必要がある。また光ファイバ通信システムにおいて使われる半導体光増幅器は、大きな入力光信号のパワー変動に対応できるように大きなダイナミックレンジを有することが要求されるため、前記半導体光増幅器１０は大きなファイバ結合飽和光出力を有する必要がある。ファイバ結合飽和光出力は、半導体光増幅器と入力側光ファイバおよび協働する光学系、さらに出力側光ファイバおよび協働する光学系を含む系全体について、光学系の損失を考慮して定義されるファイバ間利得をもとに定義される量で、前記ファイバ間利得が３ｄＢ低下するときの、ファイバ結合光出力として定義される。
【００１０】
前記半導体光増幅器１０を基にして偏波無依存型半導体光増幅器を設計する場合、最も単純には図２（Ａ）に示すように無歪バルク構造の活性層１４の厚さと幅を同じに設定すればよい。ただし図２（Ａ）は図２（Ｂ）と共に、図１のメサストライプ構造の一部を拡大して示す図である。
【００１１】
図２（Ａ）のような構成では、活性層の面に平行な方向に電界が振動するＴｅ偏波モードと活性層の面に垂直な方向に電界が振動するＴｍ偏波モードにおいて光閉じ込め係数が同一（Γte＝Γtm）かつ材料利得も同一（ｇte＝ｇtm）である場合に光閉じ込め係数Γと材料利得ｇの積が同一となり（Γteｇte＝Γtmｇtm）、偏波無依存性が保証される。
【００１２】
しかしこのように図１の半導体光増幅器１０において活性層１４の厚さを幅と同一に形成した場合には、基本モード導波を実現するのに活性層幅を０．５μｍ以下に加工する必要があり、製作が困難であった。
【００１３】
図３は本発明の発明者による計算の結果であり、図１の半導体光増幅器１０において前記光閉じ込め層１３および１５の厚さを１００ｎｍに設定し、活性層１４の幅を１．０μｍに設定した場合の、素子端飽和光出力と活性層１４の厚さとの関係を左側の縦軸に示す。また後で説明するが図３は、前記活性層１４の厚さと前記偏波無依存性の条件を実現するために前記活性層１４中に導入する必要のある伸張歪の大きさとの関係を右側の縦軸において示す。
【００１４】
図３を参照するに、前記活性層１４の厚さを減少させた場合、半導体光増幅器１０の素子端飽和光出力の値が増大することを示している。これは式
Ｐｓ＝（ｗｄ／Γ）＊（ｈν）／（τｇ’）                （式１）
で表される半導体光増幅器１０の飽和出力Ｐｓが、前記活性層１４の厚さｄを減少させることによりモード断面積（ｗｄ／Γ）が増大し、またキャリア寿命τが減少する結果、増大する効果によるものである。ただし式１中、ｗおよびｄは前記活性層１４のそれぞれ幅および厚さを、Γは光閉じ込め係数を、ｈはプランク定数を、νは光振動数を、τは活性層１４中におけるキャリア寿命を、またｇ’は微分利得を表している。
【００１５】
式（１）において前記活性層の厚さｄを減少させるとモード断面積ｗｄ／Γのうち、パラメータｄの値は減少するが、厚さｄの減少と共に光閉じ込め係数Γがより急激に減少するため、モード断面積ｗｄ／Γは全体として増大し、飽和出力Ｐｓが増大する。また式（１）においてキャリア寿命τは活性層１４中におけるキャリア密度Ｎ、非発光再結合係数Ａ、発光再結合係数Ｂおよびオージェ再結合係数Ｃを使って
１／τ＝Ａ＋ＢＮ＋ＣＮ2                            （式２）
と表されるが、活性層１４の厚さｄが減少すると共に一定の注入電流密度に対するキャリア密度Ｎも増大するため、キャリア寿命τは減少し、飽和光出力Ｐｓの増大に寄与する。さらに式（１）において微分利得ｇ’は信号光の波長λｓと利得ピークの波長λｐとの差λｓ−λｐが大きいほど減少するが、活性層１４の厚さｄが減少した場合、キャリア密度Ｎの増大に伴ってバンドフィリング効果により波長λｐが短波長側に変化し、その結果前記差λｓ−λｐが増大し、微分利得ｇ’が減少する。
【００１６】
そこで、図２（Ｂ）に示すような幅に比べて厚さの小さい活性層を前記活性層１４として使った半導体光増幅器においても、前記活性層１４の厚さを減少させることにより、飽和光出力Ｐｓ、従って素子端飽和光出力を図３に示すように増大させることが可能である。
【００１７】
一方、このように活性層１４の厚さｄを減少させるとＴｅ偏波モードでの光閉じ込め係数ΓteがＴｍ偏波モードでの光閉じ込め係数Γtmより大きく（Γte＞Γtm）なり、Ｔｅ偏波モードとＴｍ偏波モードとの間における偏波依存性が大きくなってしまう。これに対し、従来より前記活性層１４中に適当な伸張歪を導入することにより、所望の偏波無依存性を達成できることが公知である。かかるアプローチによれば、前記活性層１４中に伸張歪を導入することにより、Ｔｅ偏波モードでの材料利得ｇteをＴｍ偏波モードでの材料利得ｇtmよりも小さく（ｇte＜ｇtm）する。その結果、かかる扁平な活性層１４を使っても、偏波無依存性の条件（Γteｇte＝Γtmｇtm）を少なくとも近似的に満足することが可能になる。
【００１８】
図３は先にも説明したように右側の縦軸において、図１の半導体光増幅器１０の光閉じ込め層１３，１５の厚さを１００ｎｍに設定し、前記活性層１４の幅を１．０μｍに設定し、さらに前記活性層１４の厚さを変化させた場合における、前記偏波無依存性の条件を実現するために前記活性層１４中に導入する必要のある伸張歪の大きさを示す。図３より、前記活性層１４の厚さが１００ｎｍの場合、必要な伸張歪の歪量は約０．２％であり、また厚さが７５ｎｍの場合には必要な伸張歪の歪量は０．２３％、さらに５０ｎｍの場合には０．２５％であることがわかる。図３中、負の歪量は歪が伸張歪であることを表している。
【００１９】
図４〜図７は、このようにして設計された半導体光増幅器の利得飽和特性を示す。このうち図４は図１の半導体光増幅器１０において前記活性層１４の厚さｄを１００ｎｍとし、活性層１４中に０．２％の伸張歪（−０．２％の歪）を導入した場合の利得飽和特性を、図５は図１の半導体光増幅器１０において前記活性層１４の厚さｄを７５ｎｍとし、活性層１４中に０．２３％の伸張歪（−０．２３％の歪）を導入した場合の利得飽和特性を、図６は図１の半導体光増幅器１０において前記活性層１４の厚さｄを５０ｎｍとし、活性層１４中に０．２５％の伸張歪（−０．２５％の歪）を導入した場合の利得特性を示す。ただし図４〜６において横軸は半導体光増幅器１０のファイバ間利得を、また縦軸はファイバ結合光出力特性を示す。ファイバ結合飽和光出力をファイバ間利得が３ｄＢ低下するときのファイバ結合光出力と定義すると、１５５０ｎｍの波長において図４〜６に示すようにファイバ結合飽和光出力は、前記活性層１４の厚さ１００ｎｍ、７５ｎｍおよび５０ｎｍの場合に、それぞれ＋１２．５ｄＢｍ、＋１４．５ｄＢｍおよび＋１７．０ｄＢｍとなるのがわかる。
【００２０】
図４〜６よりわかるように、前記活性層１４中に伸張歪を先に説明した量だけ導入しておくことでＴｅ偏波モードとＴｍ偏波モードにおける利得差は実質的にゼロになり、このように設計された半導体光増幅器１０では実質的に偏波無依存性動作が実現されることがわかる。
【００２１】
このように図４〜６の結果では、波長が１５５０ｎｍ近傍の光信号については、Ｔｅ偏波モードとＴｍ偏波モードの間の利得差を実質的にゼロにすることに成功しているが、活性層１４中に大きな歪を導入しているため、増幅される光信号の波長が最適値からずれると前記モード間利得差の抑制はもはや有効でなく、所望の偏波無依存性動作は得られない。
【００２２】
図７〜９は、前記半導体光増幅器１０において１５００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長範囲におけるＴｅ偏波モードとＴｍ偏波モードの間の利得差ΔＧを求めた結果を示す。ただし図７は前記活性層１４の厚さｄを１００ｎｍに設定し、伸張歪の歪量を０．２％とした場合を、図８は前記活性層１４の厚さｄを７５ｎｍに設定し、伸張歪の歪量を０．２３％とした場合を、さらに図９は前記活性層１４の厚さｄを５０ｎｍに設定し、伸張歪の歪量を０．２５％とした場合を示す。
【００２３】
図７〜９を参照するに、いずれの場合でも光波長が１５５０ｎｍ近傍においては偏波間利得差ΔＧの値は非常に小さいが、増幅される光波長が長波長側にずれると実質的な利得差が生じるようになり、しかも活性層１４の厚さｄが小さければ小さいほど偏波間利得差ΔＧは大きくなるのがわかる。例えば活性層１４の厚さｄが１００ｎｍの場合、図７に示すようにＴｅ偏波モードとＴｍ偏波モードとの間の利得差ΔＧは波長が１５９０ｎｍにおいて−１．１ｄＢ程度であるのに対し、活性層１４の厚さｄが５０ｎｍの場合、図９に示すようにＴｅ偏波モードとＴｍ偏波モードとの間の利得差ΔＧは波長が１５９０ｎｍにおいて１．５ｄＢに達する。
【００２４】
光ファイバ通信システムでは、大量の光情報を伝送するために、先にも述べたようにいわゆる波長多重化技術が使われており、このため光ファイバ通信システムが伝送する必要のある光信号のスペクトル域が拡大している。特に最近では、光信号の伝送帯域を１．５５μｍ帯域からさらに長波長帯域側に拡張する試みがなされており、従って、このような将来の広帯域光ファイバ通信システムで使われる半導体光増幅器は、広帯域にわたり、偏波無依存性を有し、しかも大きな飽和利得を有することが要求されている。しかし、図１で説明した従来の半導体光増幅器は、かかる要求を満足することができない。
【００２５】
そこで、本発明は上記の課題を解決した新規で有用な半導体光増幅器を提供することを概括的課題とする。
【００２６】
本発明のより具体的な課題は、広帯域で動作する偏波無依存型半導体光増幅器を提供することにある。
【００２７】
本発明の別の課題は、バルク活性層を使い、かつメサストライプ構造のパターン幅を非現実的にせばめることなく容易に形成可能な広帯域偏波無依存型半導体光増幅器を提供することにある。
【００２８】
本発明は、上記の課題を、第１の端面から第２の端面まで延在する基板と、前記基板上に形成された第１の導電型の第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層上に形成され、各々前記第１のクラッド層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有する複数の活性層と、前記複数の活性層の間に介在し、前記活性層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する少なくとも一のスペーサ層と、前記基板上に、前記複数の活性層および前記少なくとも一のスペーサ層を覆うように形成された第２のクラッド層と、前記複数の活性層の各々に前記第１のクラッド層を介してキャリアを注入する第１の電極と、前記複数の活性層の各々に前記第２のクラッド層を介してキャリアを注入する第２の電極とよりなり、前記スペーサ層は１００ｎｍ以上の厚さを有し、前記複数の活性層の各々は、３０ｎｍを超える厚さを有し、かつ、前記複数の活性層の各々は伸張歪を蓄積することを特徴とする半導体光増幅器により解決する。
【００２９】
本発明の半導体光増幅器によれば、前記複数の活性層としてバルク結晶層を使うことにより、量子効果に伴う半導体光増幅器の動作波長帯域の短波長方向へのシフトの問題を回避することができる。その結果、１．５５μｍ帯域を含む長波長帯域において光利得を得ることができ、同時に伸張歪の導入により、偏波無依存性を達成することができる。また前記複数の活性層をスペーサ層を間に介して積層し、スペーサ層の厚さを最適化することにより、大きな飽和光出力を維持しつつＴｅ偏波モードの光閉じ込め係数とＴｍ偏波モードの光閉じ込め係数の比率を１に近づけることが可能になる。その際、本発明によれば、偏波無依存性を達成するために活性層中に導入される伸張歪の歪量を低減することが可能である。
【００３０】
本発明の半導体光増幅器では、前記複数の活性層と前記少なくとも一のスペーサ層とにより活性層構造を形成し、前記活性層構造を前記基板上において前記活性層よりも大きなバンドギャップを有する一対の光閉じ込め層により挟持するように構成することもできる。前記スペーサ層は１００ｎｍ以上の厚さを有するのが好ましく、また前記スペーサ層は２００ｎｍ以下の厚さを有するのが好ましい。一方前記複数の活性層の各々は、３０ｎｍを超える厚さを有するのが好ましい。前記複数の活性層の各々は、１００ｎｍ以下の厚さを有するのが好ましい。前記複数の活性層の各々は、約４０ｎｍの厚さを有するのが好ましい。前記複数の活性層の各々は、０．１８％以下の伸張歪を蓄積するものでよい。前記複数の活性層の各々は、前記入射端面および出射端面に向って幅が狭まる構成を有するのが好ましい。あるいは前記複数の活性層の各々は、前記入射端面および出射端面に向って厚さが減少する構成を有するものであってもよい。前記半導体光増幅器において、前記複数の活性層は前記入射端面から前記出射端面まで延在するストライプ構造を形成し、前記ストライプ構造は、前記入射端面および出射端面の各々と、斜交する構成を有するのが好ましい。また前記入射端面および出射端面上には反射防止膜を形成するのが好ましい。さらに複数の波長の異なった光源と、前記複数の光源を単一の光ファイバに結合する第１の光結合器と、前記光ファイバ中に設けられた半導体光増幅器と、前記半導体光増幅器で増幅された光信号を複数の光ファイバに分岐する第２の光結合器と、前記複数の光ファイバの各々に光学的に結合された光検出器とにより、波長多重化光通信システムを形成することができる。
［作用］
図１０は本発明の原理を示す図である。ただし図４中、先に図１で説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００３１】
図１０を参照するに、本発明の半導体光増幅器では図１の構成における単一の活性層１４の代わりに二つの活性層１４Ａ，１４Ｂが、その間にスペーサ層１４Ｃを介して形成されている。
【００３２】
本発明では前記二つの活性層１４Ａ，１４Ｂはバルク活性層であり、従って前記活性層１４Ａ，１４Ｂ中には量子準位は実質的に形成されない。形成された場合でも、前記活性層１４Ａ，１４Ｂは十分に大きな厚さを有するため、基底量子準位と第１励起量子準位との間のエネルギ差が熱エネルギｋＴと同程度あるいはそれ以下となる。このため、活性層１４Ａ，１４Ｂを使った誘導放出による光増幅の際、量子効果はほとんど生じない。
【００３３】
図１０の構造では、これら二つの活性層１４Ａ，１４Ｂは前記スペーサ層１４Ｃにより光学的に結合しており、前記スペーサ層１４Ｃは、前記活性層１４Ａおよび１４Ｂの形成する光電界強度が最大になる位置に形成されている。その結果、前記スペーサ層１４Ｃの厚さを変化させることにより、活性層１４Ａ，１４Ｂの各々における光閉じ込め係数が変化し、同時にＴｅ偏波モードとＴｍ偏波モードとの間のモード間光閉じ込め係数比が変化する。従って、図１０の構造を活性層として使う半導体光増幅器では、前記スペーサ層１４Ｃの厚さを最適化することにより、広い波長範囲において、偏波無依存光増幅動作を実現することができる。
【００３４】
図１１は，図１０の構造において活性層１４Ａ，１４Ｂの厚さをそれぞれ４０ｎｍとし、さらに光閉じ込め層１３，１５の厚さをそれぞれ１００ｎｍとした場合の、Ｔｅ偏波モードの光閉じ込め係数Γteと、前記Ｔｅ偏波モード光閉じ込め係数ΓteとＴｍ偏波モード光閉じ込め係数Γtmとの比（Γte／Γtm）を、前記スペーサ層１４Ｃの厚さの関数として示す。
【００３５】
図１１を参照するに、前記光閉じ込め係数Γteは前記スペーサ層１４Ｃの厚さが増大すると共に減少し、これに伴い先に式（１）に関連して説明したモード断面積が増大する。また前記比（Γte／Γtm）の値も、前記スペーサ層１４Ｃの厚さが増大すると共に減少し、かかるスペーサ層１４Ｃを設けなかった場合の値１．４が、前記スペーサ層１４Ｃを２００ｎｍの厚さに形成した場合には１．３の値まで減少するのがわかる。
【００３６】
図１２は、図１０の活性層構造において前記活性層１４Ａ，１４Ｂ中に伸張歪を導入して偏波無依存性の条件（Γteｇte＝Γtmｇtm）を実現した場合の素子端飽和光出力および前記偏波無依存性の条件を満足するために前記活性層１４Ａ，１４Ｂ中に導入する必要のある伸張歪の歪量を、前記スペーサ層１４Ｃの厚さの関数として示す。ただし図１２において前記活性層１４Ａ，１４Ｂはいずれも４０ｎｍの厚さを有し、前記光閉じ込め層１３，１５はいずれも１００ｎｍの厚さを有するものとする。図１２中、右側の縦軸が前記素子端飽和光出力を、左側の縦軸が前記歪量を示す。
【００３７】
図１２を参照するに、前記素子端飽和光出力の値は前記スペーサ層１４Ｃの厚さの増大と共に増大し、スペーサ層１４Ｃを設けなかった場合の約４０ｍＷの値が、約２００ｎｍの厚さのスペーサ層１４Ｃを設けることにより、５０ｍＷを超えた値まで増大するのがわかる。これには先に図１１で説明したスペーサ層１４Ｃの形成によるモード断面積の増大が寄与しているものと考えられる。
【００３８】
また図１２は、前記偏波無依存性動作を保証するために前記活性層１４Ａ，１４Ｂ中に導入される伸張歪の歪量が、前記スペーサ層１４Ｃを設けなかった場合には０．２％を超えるのに対し、前記スペーサ層１４Ｃの厚さを１００ｎｍに設定することで必要な歪量を０．１８％以下に抑制することが可能である。特に前記スペーサ層１４Ｃの厚さを２００ｎｍとした場合、所望の偏波無依存光増幅動作が、わずか０．１５％の伸張歪量で実現されることがわかる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
［第１実施例］
図１３（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１実施例による半導体光増幅器２０の構成を示す。ただし図１３（Ａ）は前記半導体光増幅器２０の一部切除斜視図を、図１３（Ｂ）は前記半導体光増幅器２０の軸方向断面図を示す。
【００４０】
図１３（Ａ），（Ｂ）を参照するに、前記半導体光増幅器２０はｎ型ＩｎＰ基板２１上に形成されており、前記基板２１上にエピタキシャルに形成されたｎ型ＩｎＰよりなる第１のクラッド層２２Ａと、前記第１のクラッド層２２Ａ上に形成された活性構造部２３とを有する。前記活性構造部２３は前記クラッド層２２Ａ上にエピタキシャルに形成された厚さが約１００ｎｍの非ドープＩｎＧａＡｓＰよりなる光閉じ込め層２３Ａと、前記光閉じ込め層２３Ａ上にエピタキシャルに形成された厚さが４０ｎｍの非ドープＩｎＧａＡｓよりなる第１の活性層２３Ｂと、前記第１の活性層２３Ｂ上にエピタキシャルに形成された厚さが１００ｎｍの非ドープＩｎＧａＡｓＰよりなるスペーサ層２３Ｃと、前記スペーサ層２３Ｃ上にエピタキシャルに形成された厚さが４０ｎｍの非ドープＩｎＧａＡｓＰよりなる第２の活性層２３Ｄと、前記第２の活性層２３Ｄ上にエピタキシャルに形成された厚さが１００ｎｍの非ドープＩｎＧａＡｓＰよりなる第２の光閉じ込め層２３Ｅをより構成されており、前記ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層２３Ａおよび２３Ｅおよびスペーサ層２３Ｃは、前記ＩｎＰ基板に対して格子整合し約１．２μｍのハンドギャップ波長を与える組成を有している。一方前記前記活性層２３Ｂおよび２３Ｄは、前記ＩｎＰ基板２１に対して０．１８％の伸張歪を蓄積するような組成を有する。
【００４１】
前記光閉じ込め層２３Ｅ上にはさらにｐ型ＩｎＰよりなる第２のクラッド層２２Ｂがエピタキシャルに形成され、さらにｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２４を介して前記ｐ型クラッド層２２Ｂ上にはｐ型電極２５Ａが形成される。同様に、前記基板２１の下側主面上にはｎ型電極２５Ｂが形成される。
【００４２】
さらに前記半導体光増幅器２０の両端面には反射防止膜２６Ａ，２６Ｂが形成される。
【００４３】
さらに図１３（Ａ）の一部切除斜視図よりわかるように、前記クラッド層２２Ａ上において前記活性構造部２３はパターニングされて半導体光増幅器２０の軸方向に延在するメサストライプを形成し、前記メサストライプ２３の両側にはｐ型ＩｎＰよりなる電流狭搾領域２７とｎ型ＩｎＰよりなる電流狭搾領域２８が再成長工程により形成されている。前記ｐ型クラッド層２２Ｂは、かかる電流狭搾領域２８上に前記メサストライプ２３中の光閉じ込め層２３Ｅにコンタクトするように形成されている。また前記コンタクト層２４のうち、前記ｐ型電極２５Ａが形成されている部分以外は、ＳｉＯ2やＳｉＮよりなるパッシベーション膜２８により覆われている。前記ｐ型電極２５Ａは前記活性構造２３中にキャリアを注入すべく、前記コンタクト層２４上を前記メサストライプに平行に延在する。
【００４４】
半導体光増幅器では一般に軸方向上の入射あるいは出射端面に反射防止膜２６Ａ，２６Ｂを形成することにより帰還を抑制し、レーザ発振を回避しているが、図１３（Ａ），（Ｂ）の半導体光増幅器２０では、前記メサストライプ２３の延在方向を、前記反射防止膜２６Ａ，２６Ｂを形成した入射および出射端面に対して７°の角度で斜交するように形成することにより、端面からの活性層２３Ｂあるいは２３Ｄ中への光帰還をさらに抑制している。
【００４５】
また、図１３（Ａ），（Ｂ）の半導体光増幅器２０では、前記活性構造２３の幅を前記入射側端面および出射側端面においてテーパ状に狭め、これにより前記半導体光増幅器２０とこれに結合される光ファイバとの間の光結合効率を向上させている。
【００４６】
図１４は図１３（Ａ），（Ｂ）の半導体光増幅器２０において、前記活性構造２３の長さを６００μｍとした場合の、波長が１５５０ｎｍの光信号についての先の図４〜６と同様なファイバ間利得−ファイバ結合光出力特性、および利得飽和特性を示す。ただし図１４において前記半導体光増幅器２０は前記電極２５Ａ，２５Ｂ間に接続された駆動回路（図示せず）により、３００ｍＡの駆動電流で駆動されている。
【００４７】
図１４を参照するに、図１３（Ａ），（Ｂ）の半導体光増幅器２０においてはファイバ間利得−ファイバ結合光出力特性および利得飽和特性においてＴｅ／Ｔｍ偏波モ−ド依存性は全く除去されており、半導体光増幅器２０は偏波無依存光増幅動作を行うことがわかる。
【００４８】
図１５は、図１３（Ａ），（Ｂ）の半導体光増幅器２０においてＴｅ偏波モードとＴｍ偏波モードとの間の偏波間利得差ΔＧと波長との関係を示す。
【００４９】
図１５を参照するに、偏波間利得差ΔＧの波長依存性は、図７〜図９に示した単一の活性層１４を使う図１の半導体光増幅器１０の場合と比べて実質的に減少しており、例えば波長が１５５０ｎｍの場合に＋０．２ｄＢであった偏波間利得差が、波長が１５９０ｎｍの場合でも−０．５ｄＢ程度にしかならないことがわかる。これは、先に説明した従来の半導体光増幅器１０に対する大きな改善である。
【００５０】
このように、本発明によれば伸張歪を導入した複数のバルク半導体活性層を使い、間に適当な厚さのスペーサ層を介在させることにより、大きなファイバ結合飽和光出力を維持しながら、同時に偏波間利得差の波長依存性を抑制することが可能で、光ファイバ通信システム中において使うことにより、波長多重化光信号などの広い波長帯域を有する光信号の増幅に有効である。
【００５１】
なお、図１６に示すように図１３（Ａ），（Ｂ）の半導体光増幅器２０において、前記反射防止膜２６Ａ，２６Ｂを形成した入／出射端面近傍において前記活性構造２３の厚さを徐々に減少させ、縦断面内においてテーパ形状を形成してもよい。かかる厚さ方向へのテーパ形状は、前記活性構造２３をＭＯＶＰＥ法あるいはＭＢＥ法により形成する際に、光増幅器２０の軸方向に幅が徐々に変化するマスクパターン（図示せず）を使うことにより、容易に形成することができる。
［第２実施例］
図１７は、図１３（Ａ），（Ｂ）の半導体光増幅器２０を使った本発明の第２実施例による波長多重化光通信システムの構成を示す。
【００５２】
図１７を参照するに、互いに異なった発振波長を有するレーザダイオード３１1〜３１nにより形成されたそれぞれの光ビームは対応する光変調器３２1〜３２nにより変調され、それぞれの波長の光信号が形成される。形成された光信号はそれぞれの光ファイバ３３1〜３３nを介して光結合器よりなる多重化器３４に伝送され、前記多重化器３４において幹線光ファイバ３５に結合され、波長多重化信号が形成される。
【００５３】
このようにして形成された波長多重化信号は、前記幹線光ファイバ３５中を、前記光ファイバ３５中に所定の間隔で設置された、各々は先の図１３（Ａ），（Ｂ）で説明した構成を有する半導体光増幅器２０により増幅されながら伝送され、光結合器３６に至る。
【００５４】
前記光結合器３６においては前記幹線光ファイバ３５中の波長多重化信号が光ファイバ３７1〜３７nに分岐され、各々の光ファイバ３７1〜３７nにおいて前記半導体光増幅器２０により、分岐の際の光損失が補償される。
【００５５】
さらに、このようにして光増幅された光ファイバ３７1〜３７n中の波長多重化信号をそれぞれの光フィルタ３８1〜３８n中を通すことにより光信号だけが抽出され、対応する光ディテクタ３９1〜３９nにより検波される。
【００５６】
先にも説明したように、前記半導体光増幅器２０をかかる光ファイバ通信システムにおいて光増幅に使うことにより、波長多重化信号に対応した広い波長帯域において偏波無依存光増幅を大きな飽和利得で行うことが可能になる。
【００５７】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の要旨内において様々な変形・変更が可能である。
（付記）
（付記１）  第１の端面から第２の端面まで延在する基板と、
前記基板上に形成された第１の導電型の第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層上に形成され、各々前記第１のクラッド層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有する複数の活性層と、
前記複数の活性層の間に介在し、前記活性層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する少なくとも一のスペーサ層と、
前記基板上に、前記複数の活性層および前記少なくとも一のスペーサ層を覆うように形成された第２のクラッド層と、
前記複数の活性層の各々に前記第１のクラッド層を介してキャリアを注入する第１の電極と、
前記複数の活性層の各々に前記第２のクラッド層を介してキャリアを注入する第２の電極とよりなり、
前記複数の活性層の各々は伸張歪を蓄積することを特徴とする半導体光増幅器。
【００５８】
（付記２）  前記複数の活性層と前記少なくとも一のスペーサ層とは活性層構造を形成し、前記活性層構造は、前記基板上において前記活性層よりも大きなバンドギャップを有する一対の光閉じ込め層により挟持されていることを特徴とする付記１記載の半導体光増幅器。
【００５９】
（付記３）  前記一対の光閉じ込め層は、前記少なくとも一のスペーサ層と同一の組成を有することを特徴とする付記２記載の半導体光増幅器。
【００６０】
（付記４）  前記スペーサ層は１００ｎｍ以上の厚さを有することを特徴とする付記１から３のうち、いずれか一項記載の半導体光増幅器。
【００６１】
（付記５）  前記スペーサ層は２００ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする付記１〜４のうち、いずれか一項記載の半導体光増幅器。
【００６２】
（付記６）  前記複数の活性層の各々は、３０ｎｍを超える厚さを有することを特徴とする付記１〜５のうち、いずれか一項記載の半導体光増幅器。
【００６３】
（付記７）  前記複数の活性層の各々は、１００ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする付記１〜６のうち、いずれか一項記載の半導体光増幅器。
【００６４】
（付記８）  前記複数の活性層の各々は、約４０ｎｍの厚さを有することを特徴とする付記１〜７のうち、いずれか一項記載の半導体光増幅器。
【００６５】
（付記９）  前記複数の活性層の各々は、０．１８％以下の伸張歪を蓄積することを特徴とする付記１〜８のうち、いずれか一項記載の半導体光増幅器。
【００６６】
（付記１０）  前記複数の活性層の各々は、前記入射端面および出射端面に向って幅が狭まることを特徴とする付記１〜９のうち、いずれか一項記載の半導体光増幅器。
【００６７】
（付記１１）  前記複数の活性層の各々は、前記入射端面および出射端面に向って厚さが減少することを特徴とする付記１〜１０のうち、いずれか一項記載の半導体光増幅器。
【００６８】
（付記１２）  前記複数の活性層は、前記入射端面から前記出射端面まで延在するストライプ構造を形成し、前記ストライプ構造は、前記入射端面および出射端面の各々と、斜交することを特徴とする付記１〜１１のうち、いずれか一項記載の半導体光増幅器。
【００６９】
（付記１３）  前記入射端面および出射端面上には反射防止膜が形成されていることを特徴とする付記１〜１２のうち、いずれか一項記載の半導体光検出器。
【００７０】
（付記１４）  複数の、波長の異なった光源と、前記複数の光源を単一の光ファイバに結合する第１の光結合器と、前記光ファイバ中に設けられた半導体光増幅器と、前記半導体光増幅器で増幅された光信号を複数の光ファイバに分岐する第２の光結合器と、前記複数の光ファイバの各々に光学的に結合された光検出器とよりなる波長多重化光通信システムにおいて、
前記半導体光増幅器は、
第１の端面から第２の端面まで延在する基板と、
前記基板上に形成された第１の導電型の第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層上に形成され、各々前記第１のクラッド層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有する複数の活性層と、
前記複数の活性層の間に介在し、前記活性層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する少なくとも一のスペーサ層と、
前記基板上に、前記複数の活性層および前記少なくとも一のスペーサ層を覆うように形成された第２のクラッド層と、
前記複数の活性層の各々に前記第１のクラッド層を介してキャリアを注入する第１の電極と、
前記複数の活性層の各々に前記第２のクラッド層を介してキャリアを注入する第２の電極とよりなり、
前記複数の活性層の各々は伸張歪を蓄積し、
前記活性層の入射端は前記単一の光ファイバの第１の部分に光学的に結合され、前記活性層の出射端は前記単一の光ファイバの第２の部分に光学的に結合されることを特徴とする波長多重化光通信システム。
【００７１】
【発明の効果】
本発明の半導体光増幅器によれば、前記複数の活性層としてバルク結晶層を使うことにより、１．５５μｍ帯域を含む長波長帯域において光利得を得ることができ、同時に偏波無依存性を達成することができる。また前記複数の活性層をスペーサ層を間に介して積層し、スペーサ層の厚さを最適化することにより、大きな飽和光出力を維持しつつＴｅ偏波モードの光閉じ込め係数とＴｍ偏波モードの光閉じ込め係数の比率を１に近づけることが可能になる。その際、本発明によれば、偏波無依存性を達成するために活性層中に導入される伸張歪の歪量を低減することが可能であり、広い波長範囲において偏波間利得差を小さく抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ），（Ｂ）は従来の半導体光増幅器の構成を示す図である。
【図２】（Ａ），（Ｂ）は従来の半導体光増幅器の断面構造図である。
【図３】（Ａ），（Ｂ）は従来の半導体光増幅器における活性層の設計例を示す図である。
【図４】従来の半導体光増幅器の動作特性を示す図（その１）である。
【図５】従来の半導体光増幅器の動作特性を示す図（その２）である。
【図６】従来の半導体光増幅器の動作特性を示す図（その３）である。
【図７】従来の半導体光増幅器の問題点を説明する図（その１）である。
【図８】従来の半導体光増幅器の問題点を説明する図（その２）である。
【図９】従来の半導体光増幅器の問題点を説明する図（その３）である。
【図１０】本発明の原理を説明する図である。
【図１１】本発明の原理を説明する別の図である。
【図１２】本発明の原理を説明するさらに別の図である。
【図１３】（Ａ）．（Ｂ）は、本発明の第１実施例による半導体光増幅器の構成を示す図である。
【図１４】本発明第１実施例による半導体光増幅器の動作特性を示す図である。
【図１５】本発明第１実施例による半導体光増幅器の動作特性を示す別の図である。
【図１６】本発明第１実施例による半導体光増幅器の一変形例を示す図である。
【図１７】本発明の第２実施例による波長多重化光ファイバ通信システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
１０，２０  半導体光増幅器
１０Ａ，１０Ｂ，２６Ａ，２６Ｂ  反射防止膜
１１，２１  基板
１１Ａ，１１Ｂ，２７  電流狭搾層
１２，１６，２２Ａ，２２Ｂ  クラッド層
１３，１５，２３Ａ，２３Ｅ  光閉じ込め層
１４，１４Ａ，１４Ｂ，２３Ｂ，２３Ｄ  活性層
１４Ｃ，２３Ｃ  スペーサ層
１７，２５Ａ  ｐ型電極
１８，２５Ｂ  ｎ型電極
２３  活性構造
２４  コンタクト層
２８  パッシベーション膜
３１1〜３１n  光源
３２1〜３２n  光変調器
３３1〜３３n  光ファイバ
３４，３６  光結合器
３５  幹線光ファイバ
３８1〜３８n  光フィルタ
３９1〜３９n  光ディテクタ
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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