(57)【要約】【課題】光利得が高く、低い消費電力で駆動される偏波無依存型光半導体増幅器を提供する。【解決手段】ＩｎＰ基板１の上方に形成されるｎ型ＩｎＰクラッド層２と、ＩｎＰ基板１の上方に形成されるｐ型ＩｎＰクラッド層７と、ｎ型ＩｎＰクラッド層２と前記ｐ型ＩｎＰクラッド層７の間に形成され、伸張歪が加えられた光活性層５と、光活性層５とｎ型ＩｎＰクラッド層２の間に、５００ｎｍ以上の厚さに形成され、ＩｎＰと光活性層５の間の大きさのエネルギーバンドギャップ波長を有する化合物半導体から形成されるｎ型ガイド層３と、を有する【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＰ基板の上方に形成されるｎ型ＩｎＰクラッド層と、
前記ＩｎＰ基板の上方に形成されるｐ型ＩｎＰクラッド層と、
前記ｎ型ＩｎＰクラッド層と前記ｐ型ＩｎＰクラッド層の間に形成され、伸張歪が加えられた光活性層と、
前記光活性層と前記ｎ型ＩｎＰクラッド層の間に、５００ｎｍ以上の厚さに形成され、ＩｎＰと前記光活性層の間の大きさのエネルギーバンドギャップ波長を有する化合物半導体から形成されるｎ型ガイド層と、
を有する偏波無依存型半導体光増幅装置。
【請求項２】
前記光活性層と前記ｎ型ガイド層の間には、前記光活性層と前記ｎ型ガイド層の間の大きさのエネルギーバンドギャップ波長を有する材料からなる光・キャリア分離閉じ込め層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の偏波無依存型半導体光増幅装置。
【請求項３】
ＩｎＰ基板はｎ型であり、
前記ｎ型ガイド層は、前記光活性層に対して前記ＩｎＰ基板寄りに形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の偏波無依存型半導体光増幅装置。
【請求項４】
前記光活性層と少なくとも一部の前記ｐ型ＩｎＰクラッド層と少なくとも一部の前記ｎ型ＩｎＰクラッド層は、ストライプ形状を有し、両側から埋込ヘテロ接合型電流ブロック層に挟まれていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の偏波無依存型半導体光増幅装置。
【請求項５】
前記ｎ型ＩｎＰクラッド層と前記ｐ型ＩｎＰクラッド層のうち前記ＩｎＰ基板に対してより上側の層は、光導波路に沿った領域に凸状のリッジ構造を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の偏波無依存型半導体光増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏波無依存型半導体光増幅装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体光増幅装置は、小型で様々な波長領域に対応可能な光増幅器であり、トラフィック総量が１００Ｇｂ/秒の光イーサネット（登録商標）や高速アクセス光ネットワーク等の各標準化規格に採用され、フォトニックネットワークで本格的な適用が始まっている。その他にも、半導体光増幅装置は、各種フォトニックネットワークに適用するブースターアンプ、インラインアンプ、プリアンプ等、様々な用途が検討されている。
【０００３】
１．３μｍ、１．５５μｍの光通信波長帯で動作する半導体光増幅器（ＳＯＡ）では、エピタキシャル成長技術を用いてＩｎＰ基板上にＧａＩｎＡｓＰやＡｌＧａＩｎＡｓの材料を形成することにより光活性層を形成している。そして、光活性層に電流を注入することにより、光活性層で生じる誘導放出効果により光利得を発生させる。
【０００４】
光通信システムに適用される半導体光増幅器では、光源に使用される半導体レーザには要求されない特性、即ち、光利得が入力信号光の偏波状態によらずに常に一定である特性があることが望ましい。そのような偏波無依存の半導体光増幅器を実現するための技術として、伸張歪が導入された光活性層をＩｎＰ基板の上方に形成することが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２２４６９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、フォトニックネットワークに適用するＳＯＡには低い消費電力が要求される。ＳＯＡの消費電力は、その光利得や光出力とトレードオフの関係にある。一般的にＳＯＡの消費電力を低減するには、厚い光活性層を用いて光閉じ込め係数を増大させ、必要な光利得をより短いＳＯＡ素子長に設定し、駆動電流を低減する方策が有効である。
【０００７】
しかし、上記のように偏波無依存型のＳＯＡでは、伸張歪の光活性層を利用しているので、光活性層を好ましい厚さに形成することが難しい。即ち、一般にエピタキシャル成長技術を用いて結晶歪を持つ半導体層を形成する技術では、印加した歪量で決まる一定の基準膜厚、即ち臨界膜厚を超えると、結晶転位が多く発生して結晶性が劣化する。これにより、臨界膜厚を越えた歪量の伸張歪を導入した光活性層を有するＳＯＡには重大な特性劣化が生じてしまう。
【０００８】
従って、従来技術による伸張歪光活性層を有する偏波無依存型ＳＯＡによれば、良好な増幅特性を保持したまま光活性層を厚膜化して消費電力低減を実現することが難しい。
【０００９】
本発明の目的は、光利得が高く、低い消費電力で駆動される偏波無依存型光半導体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】
１つの観点によれば、ＩｎＰ基板の上方に形成されるｎ型ＩｎＰクラッド層と、前記ＩｎＰ基板の上方に形成されるｐ型ＩｎＰクラッド層と、前記ｎ型ＩｎＰクラッド層と前記
ｐ型ＩｎＰクラッド層の間に形成され、伸張歪が加えられた光活性層と、前記光活性層と前記ｎ型ＩｎＰクラッド層の間に、５００ｎｍ以上の厚さに形成され、ＩｎＰと前記光活性層の間の大きさのエネルギーバンドギャップ波長を有する化合物半導体から形成されるｎ型ガイド層と、を有する偏波無依存型半導体光増幅装置が提供される。
発明の目的および利点は、請求の範囲に具体的に記載された構成要素および組み合わせによって実現され達成される。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、典型例および説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない、と理解される。
【発明の効果】
【００１１】
伸張歪が加えられる光活性層を有する偏波無依存型半導体光増幅装置において、ｎ−ＩｎＰクラッドと光活性層の間に厚さ５００ｎｍ以上のｎ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層を挿入し、さらに、バンドギャップ波長についてガイド層がＩｎＰと光活性層の間となる材料を選択している。これにより、ＴＥ偏波モードとＴＭ偏波モードについて異方的に内部損失を低減する効果を誘起し、偏波無依存化に必要な伸張歪量を低減することができる。
これにより、歪蓄積による結晶品質の劣化なしに光活性層厚を従来よりも増大させることが可能になる。さらに、従来の偏波無依存型半導体光増幅装置に比べて、より光活性層の光閉じ込めが大きく、短い素子長で高効率な光利得の実現が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】図１Ａは、第１実施形態に係る偏波無依存型半導体光増幅装置を形成する工程を示す断面図（その１）である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、第１実施形態に係る偏波無依存型半導体光増幅装置を形成する工程を示す断面図（その２）である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、第１実施形態に係る偏波無依存型半導体光増幅装置を形成する工程を示す断面図（その３）である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、第１実施形態に係る偏波無依存型半導体光増幅装置を形成する工程を示す断面図（その４）である。
【図２】図２は、第１実施形態に係る偏波無依存型半導体光増幅装置を示す光進行方向の断面図である。
【図３】図３（ａ）、図３（ｂ）は、第１実施形態に係る偏波無依存型半導体光増幅装置の光導波モードの強度分布図である。
【図４】図４（ａ）、図４（ｂ）は、比較例に係る偏波無依存型半導体光増幅装置の光導波モードの強度分布図である。
【図５】図５は、偏波無依存型半導体光増幅装置における光活性層の歪量と材料利得の関係を示す図である。
【図６】図６は、第１実施形態と比較例のそれぞれに係る偏波無依存型半導体光増幅装置における光ガイド層の有り無しの違いによる内部損失の関係を示す図である。
【図７】図７は、第１実施形態に係る偏波無依存型半導体光増幅装置の層構造においてガイド層の有り、無しのいずれかを採用することによる光活性層の最適歪量の違い示す図である。
【図８】図８は、第１実施形態に係る偏波無依存型半導体光増幅装置におけるガイド層の厚さと内部損失の関係を示す図である。
【図９】図９は、第１実施形態に係る偏波無依存型半導体光増幅装置におけるＴＥ・ＴＭ偏波間内部損失差とガイド層の厚さの関係を示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、第２実施形態に係る偏波無依存型半導体光増幅装置を形成する工程を示す断面図（その１）である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、第２実施形態に係る偏波無依存型半導体光増幅装置を形成する工程を示す断面図（その２）である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、第２実施形態に係る偏波無依存型半導体光増幅装置を形成する工程を示す断面図（その３）である。
【図１０Ｄ】図１０Ｄは、第２実施形態に係る偏波無依存型半導体光増幅装置を形成する工程を示す断面図（その４）である。
【図１１】図１１（ａ）、図１１（ｂ）は、第２実施形態に係る偏波無依存型半導体光増幅装置の光導波モードの強度分布図である。
【図１２】図１２（ａ）、図１２（ｂ）は、比較例に係る偏波無依存型半導体光増幅装置の光導波モードの強度分布図である。
【図１３】図１３は、第２実施形態と比較例のそれぞれに係る偏波無依存型半導体光増幅装置における光ガイド層の有り無しの違いによる内部損失の関係を示す図である。
【図１４】図１４は、第２実施形態に係る偏波無依存型半導体光増幅装置の層構造においてガイド層の有り、無しのいずれかを採用することによる光活性層の最適歪量の違い示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。図面において、同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。
【００１４】
（第１の実施の形態）
図１Ａ〜図１Ｄは、本発明の第１実施形態に係る埋め込みヘテロ接合型電流狭窄（ＢＨ）構造を有する偏波無依存型の半導体光増幅装置（ＳＯＡ）の製造工程を示す断面図である。
【００１５】
次に、図１Ａに示す構造を形成するまでの工程について説明する。なお、化合物半導体層を示すガリウム、インジウム、リン、ヒ素等の元素は元素記号Ｇａ、Ｉｎ、Ｐ、Ａｓ等で示している。
【００１６】
まず、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、厚さ約２００ｎｍのｎ型（ｎ−）ＩｎＰクラッド層２と、厚さ５００ｎｍ以上、例えば約１０００ｎｍのガイド層３を順に形成する。ガイド層３は、ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（但し、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）層から形成されている。
【００１７】
さらに、ガイド層３上には、厚さ約１００ｎｍの第１のアンドープト（ｉ−）ＧａＩｎＡｓＰ光・キャリア分離閉じ込め（ＳＣＨ）層４と、厚さ約１１０ｎｍのｉ−ＧａＩｎＡｓＰ伸張歪多重量子井戸（ＭＱＷ）光活性層５が順に形成されている。光活性層５は、ＡｌＧａＩｎＡｓ層で形成されてもよい。
【００１８】
光活性層５上には、厚さ約１００ｎｍの第２のｉ−ＧａＩｎＡｓＰ・ＳＣＨ層６と、厚さ約２０００ｎｍのｐ型（ｐ−）ＩｎＰクラッド層７と、厚さ約３００ｎｍを有するｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層８が順に形成されている。ｎ−ＩｎＰクラッド層２からｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層８までは例えば有機金属気相成長法(ＭＯＶＰＥ)を用いてエピタキシャル成長される。
【００１９】
ＳＣＨ層４、６の材料は、エネルギーバンドギャップ波長が１．３μｍとなるようにIII族元素とＶ族元素、即ちＧａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐの組成比が調整される。また、ＳＣＨ層４、６は、単層構造に限るものではなく、組成比が伸張歪ＭＱＷ光活性層５から離れるにつれてエネルギーバンドギャップが広くなる複数層構造に形成してもよい。
【００２０】
さらに、伸張歪ＭＱＷ光活性層５は、エネルギーバンドギャップの小さな複数の量子井戸層と、量子井戸層を個別に挟むエネルギーバンドギャップの大きな複数の量子井戸層を有している。伸張歪みＭＱＷ光活性層５は、III族元素とＶ族元素の組成を制御することにより井戸層及びバリア層のいずれかが伸張歪を有する。伸張歪量は、例えばバリア層に
歪みを導入した場合で０．８％に調整されるが、これに限られるものではない。
【００２１】
ｎ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層３のＧａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐの組成は、エネルギーバンドギャップ波長が伸張歪ＭＱＷ光活性層５とｎ−ＩｎＰクラッド層２の中間になるように調整される。ガイド層３の材料のエネルギーバンドギャップ波長は、例えば１．０５μｍに設定される。
【００２２】
コンタクト層８を形成した後に、ｎ−ＩｎＰ基板１をＣＶＤ装置に搬送し、そのチャンバ内でコンタクト層８の上面上に誘電体膜９として厚さ約２００ｎｍのシリコン酸化膜を形成する。さらに、ＣＶＤ装置からｎ−ＩｎＰ基板１を取り出した後に、誘電体膜９上にフォトレジストを塗布し、これを露光、現像することにより、ストライプの光導波路形状のレジストパターン１０を形成する。
【００２３】
次に、図１Ｂに示す構造を形成するまでの工程を説明する。
まず、レジストパターン１０をマスクに使用してシリコン酸化膜９をエッチングし、シリコン酸化膜９からなるハードマスク９ａを形成する。シリコン酸化膜９のエッチングは、例えばフッ素系ガスを用いる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法のようなドライエッチングを採用してもよいし、フッ酸を用いるウエットエッチングを採用してもよい。
【００２４】
続いて、ハードマスク９ａから露出した領域のコンタクト層８からｎ−ＩｎＰクラッド層２までをドライエッチングし、導波路メサ構造を形成するとともにその両側に埋込孔１ａを形成する。ドライエッチング法として、例えば誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）ＲＩＥを使用する。また、エッチングガスとして塩素系ガスを使用する。
【００２５】
導波路メサ構造の形成において、伸張歪ＭＱＷ光活性層５をエッチングして埋込孔１ａを形成する際には埋込孔１ａの深さは特に限定されず、特にｎ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層３、ｎ−ＩｎＰクラッド層２のエッチング深さは限定されない。
【００２６】
ただし、ＳＯＡの入出力両端部の幅をテーパ状に狭くする幅テーパ構造を採用する場合には、少なくともｎ−ＩｎＰクラッド層２に達する深さまでｎ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層３をエッチングし、図１Ｂに示すメサ構造の導波路に加工する。これにより、ＳＯＡの入出力両端部における光スポットサイズ変換の性能や均一性が向上し、より高性能なＳＯＡの作製が可能になる。
【００２７】
続いて、図１Ｃに示すように、ハードマスク９ａを残したまま導波路メサ構造の両脇でヘテロ接合する高抵抗の半絶縁(ＳＩ)−ＩｎＰ電流ブロック層１１をＭＯＶＰＥ法で埋込孔１ａ内に選択的に埋込み、電流狭窄構造を形成する。ここで、シリコン酸化膜からなるハードマスク９ａの上にＩｎＰは実質的に成長しない。
【００２８】
その後に、ハードマスク９ａを例えば緩衝フッ酸により除去し、ついでｎ−ＩｎＰ基板１の裏面を研磨する。その後に、図１Ｄに示すように、ｎ−ＩｎＰ基板１の裏面に例えば金、ゲルマニウム、金の積層構造のカソード電極１２を形成し、ついで、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層８及びＳＩ−ＩｎＰ電流ブロック層１１の上にアノード電極１３として例えばチタン、プラチナ、金の積層構造を形成する。
【００２９】
以上によりウエハプロセスは完了となる。この後、ＩｎＰウエハをアレイ劈開し、さらに必要に応じて素子の劈開面である入力端面、出力端面のそれぞれに誘電体多層膜による反射防止(ＡＲ)コーティングを施し、チップ分離する。これにより偏波無依存型半導体光増幅装置が完成する。
【００３０】
上記の偏波無依存型半導体光増幅装置の光出力端又は光入力端から見た断面は図１Ｄに示すようになり、光進行方向の断面は図２に示すようになる。図２において、一点鎖線はＴＥ導波モード、ＴＭ導波モードの光強度分布を示し、破線は積層方向の屈折率ｎの分布を示している。
【００３１】
上記の偏波無依存型半導体光増幅装置において、ＩｎＰ基板１の上にエピタキシャル成長技術を用いて形成されたＧａＩｎＡｓＰやＡｌＧａＩｎＡｓを材料とする光活性層５に電流を注入し、光入力端に光が入射することにより、光活性層５には誘導放出効果による光利得が発生する。
【００３２】
また、上記の偏波無依存型半導体光増幅装置から光が出力されると、ＴＥ導波モードの電界強度分布は図３（ａ）に示すようになり、ＴＭ導波モードの電界強度分布は図３（ｂ）に示すようになる。これに対する比較例として、ｎ型ガイド層３を有しない偏波無依存型半導体光増幅装置のＴＥ導波モードの電界強度分布とＴＭ導波モードの電界強度分布を図４（ａ），図４（ｂ）に示す。
【００３３】
ところで、光通信システムに適用する半導体光増幅装置では、その光利得が入力信号光の偏波状態に依らず常に一定であること、つまり偏波間利得差（Polarization Dependent
Gain :ＰＤＧ）が充分に小さくなる必要がある。
【００３４】
半導体光増幅装置における光利得Ｇと偏波間利得差ＰＤＧは一般的に次の式（１）、式（２）によって表される。それらの式において、Γ、ΓＴＥ、ΓＴＭは各偏波モードに対する光閉じ込め係数であり、g、ｇＴＥ、ｇＴＭは各偏波モードに対する光活性層の材料利得係数であり、α、αＴＥ、αＴＭは各偏波モードに対する導波路の内部損失係数であり、Ｌは、ＳＯＡ素子長である。
【００３５】
Ｇ＝ｅｘｐ［（Γｇ−α）Ｌ］    （１）
【００３６】
ＰＤＧ∝［（ΓＴＥｇＴＥ−αＴＥ）−（ΓＴＭｇＴＭ−αＴＭ）］    （２）
【００３７】
一般的なＳＯＡの光活性層は、高い光出力や低い素子電気抵抗を得るために、厚さに比べて幅が大幅に広い偏平な形状を採用する事が多い。この場合、各偏波モードの光閉じ込め係数Γは同一ではなく、ＴＥ偏波モードに対する光閉じ込め係数ΓＴＥはＴＭ偏波モードに対する光閉じ込め係数ΓＴＭよりも大きい。即ち、ΓＴＥ＞ΓＴＭの関係にある。一方、基板に格子整合した結晶からなる光活性層を用いるとその材料利得α（αＴＥ、αＴＭ）が等方的であるため、式（２）に示すＰＤＧが大きくなってしまう。
【００３８】
これを回避するためには、一軸性の伸張歪を加えた材料の光活性層を形成し、材料利得の異方性の関係ｇＴＥ＜ｇＴＭを誘起する構造を採用する方法がある。これにより、上記の光閉じ込めのΓＴＥ＞ΓＴＭの関係の偏波依存性を補償してΓＴＥｇＴＥ≒ΓＴＭｇＴＭの関係にすることができ、小さなＰＤＧを実現する手法として有効である。
【００３９】
一方、ＴＥ、ＴＭ導波モードにおいて光活性層の材料利得係数に生じる異方性を示すＴＥ、ＴＭ導波モードの材料利得係数の異方性ｇＴＥ／ｇＴＭの絶対値は、図５に示すように、光活性層の歪量が大きくなるほど大きくなる。また、図５に示すように、成長膜の面内方向の歪について伸張歪と圧縮歪ではＴＥ導波モード、ＴＭ導波モードの利得係数ｇＴＥ、ｇＴＭの大小関係が逆転する。この場合、偏波無依存型ＳＯＡでは、上記のようにｇＴＥ＜ｇＴＭの関係が得られる伸張歪となる領域が採用される。
【００４０】
ところで、フォトニックネットワークに適用するＳＯＡについては低い消費電力が要求
される。しかし、ＳＯＡの消費電力は、その光利得や光出力とトレードオフの関係にある。一般に、ＳＯＡの消費電力を低減するためには、光利得Ｇの式（１）において、より厚い光活性層を用いて光閉じ込め係数Γを増大させるとともに、より短い素子長Ｌを採用して必要な光利得Ｇを実現し、駆動電流を低減する方策が有効となる。
【００４１】
しかし、先に説明したように、伸張歪光活性層を利用した偏波無依存型ＳＯＡでは、光活性層の層厚を増大させることに制限があった。即ち、一般にエピタキシャル成長技術を用いて成長された結晶歪、例えば伸張歪を持つ半導体層では、臨界膜厚を超えて厚膜化した場合に、結晶転位が多く発生して結晶性が劣化し、これをＳＯＡに適用すると重大な特性劣化が生じてしまう。
【００４２】
これに対し、本実施形態では、光活性層５の下において第１のＳＣＨ層４とｎ−ＩｎＰクラッド層２の間に、厚さ５００ｎｍ以上のガイド層３を形成することにより、伸張歪ＭＱＷ光活性層５に要求される歪量を小さくすることで課題を解決している。この場合、ガイド層３は、第１のＳＣＨ層４の材料とＩｎＰの間の大きさとなるエネルギーバンドギャップを有する材料から形成されている。また、第１のＳＣＨ層４は、光活性層５の材料よりもエネルギーバンドギャップが大きな材料から形成される。
【００４３】
そのような構造を採用することにより、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層３は、図２の屈折率ｎの分布模式図に示したように、ＩｎＰクラッド層２とＳＣＨ層４の屈折率の間の大きさの屈折率を有することになる。即ち、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層３を有するＳＯＡの屈折率プロファイルは、光活性層５を中心にして上下で非対称になるので、ガイド層３に引きずられる形で信号光の電界強度分布がｎ−ＩｎＰクラッド層２側に寄る。ただし、本実施形態におけるガイド層３は、積層方向の高次導波モードが生じない範囲で形成される。
【００４４】
そのようなガイド層３を有する構造のＳＯＡでは、光出射端におけるＴＥ導波モード、ＴＭ導波モードの光信号の電界強度プロファイルは、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すようになり、光活性層５を中心にしてガイド層３側に寄って上下非対称となる。なお、図３（ａ）、図３（ｂ）において、強度は等高線で示されている。
【００４５】
これに対し、ガイド層３を有しない構造のＳＯＡでは、光活性層５を中心にして屈折率プロファイルが上下対称となり、信号光の電界強度分布も光活性層５を中心にして上下対称となる。そのようなＳＯＡのＴＥ導波モード、ＴＭ導波モードの光信号の電界強度プロファイルは、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すようになる。なお、図４（ａ）、図４（ｂ）において、強度は等高線で示されている。
【００４６】
ガイド層を有する半導体レーザは、例えばNagashima et.al, proc. of IEEE semiconductor laser conference 2004や、特開平５−２４３６６９号公報に記載されている。これらの半導体レーザでは、電界強度分布をｎ型クラッド側に偏らせることにより、高い吸収係数を有するｐ型クラッド層への光閉じ込めが減少し、導波路光損失が低減される。
【００４７】
これに対し、本発明者は、ガイド層３の挿入による導波路光損失低減効果に強い偏波依存性があることを見出し、これにより、小さいＰＤＧを得るのに必要な光活性層５の歪量を低減して光活性層の臨界膜厚の厚膜化を可能にしている。
【００４８】
具体的には、ガイド層３が無い場合の光導波モード形状に示されるように、偏平な光活性層構造を持つＳＯＡでは、ＴＥ導波モードに比べてＴＭ導波モードの光活性層５への光閉じ込めは弱い。この場合、図４（ｂ）の光電界分布が図４（ａ）の光電界分布に比べて上下のクラッド層２、７により強く染み出している。
【００４９】
これに対し、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層３を挿入したＳＯＡによれば非対称電界強度分布効果が生じ、特にＴＭ導波モードに強い非対称性が働く。即ち、ガイド層３を有するＳＯＡにおける光導波路モード光電界強度分布では、図３（ａ）に示すＴＥ導波モードに比べて、図３（ｂ）に示すＴＭ導波モードの光電界強度分布がｎ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層３側に強く寄っているので、高吸収なｐ−ＩｎＰクラッド層７への光電界分布の染み出しが減少していることが分かる。従って、ＴＭ導波モードの内部光損失（α）低減効果は、ＴＥ導波モードの内部光損失（α）低減効果より大きい。
【００５０】
次に、ＳＯＡの導波路構造について、ガイド層３の有り、無しのそれぞれについて内部光損失αを比較した結果を図６に示す。図６において、ＳＯＡにガイド層３を挿入した構造を採用するによって、ＴＥ偏波モード、ＴＭ偏波モードの内部光損失αは低減する。さらに、ＴＥ偏波モード、ＴＭ偏波モードの内部光損失αＴＥ、αＴＭの大小関係はガイド層３を挿入することにより逆転し、各偏波モードの内部損失差（αＴＥ−αＴＭ）は、正の方向、即ちαＴＭがαＴＥよりも約２ｃｍ−１小さくなるように変化する。
【００５１】
ＰＤＧの式（２）によれば、各偏波モードの内部光損失差（αＴＥ−αＴＭ）に依存してＰＤＧが変化する。（αＴＥ−αＴＭ）が正の方向にシフトする場合には、偏波無依存な利得、即ちＰＤＧ＝０の関係を得るために、実効利得差（ΓＴＥｇＴＥ−ΓＴＭｇＴＭ）の値を正の方向にシフトさせる必要がある。
【００５２】
ここで、伸張歪を有する光活性層５の歪量εと材料利得ｇＴＥ、ｇＴＭの異方性は、図５の関係がある。ΓＴＥとΓＴＭが変化しないとすれば、（ΓＴＥｇＴＥ−ΓＴＭｇＴＭ）を正方向にシフトさせるためには、伸張歪の歪量εを小さくして、ｇＴＭに対するｇＴＥの値を大きくして材料利得係数比（ｇＴＥ／ｇＴＭ）の値を１に近づける必要がある。
【００５３】
従って、偏波無依存型ＳＯＡ内でガイド層３を挿入することによれば、偏波無依存な特性が得られる最適な歪量εは小さくなる方向に変化する。また、ガイド層３の挿入によってＴＥ、ＴＭ偏波間の光活性層５の光閉じ込め比（ΓＴＥ／ΓＴＭ）が小さくなるように変化することによっても最適な歪量εは低下する。この場合にもΓＴＥ＞ΓＴＭの関係があり、しかもガイド層３の挿入によってΓＴＭの値が相対的に大きくなる。
【００５４】
図７は、ガイド層３が有る場合と無い場合のそれぞれにおいて、偏波無依存化が実現できる伸張歪の最適歪量を比較した結果を示す。図７によれば、ガイド層３の採用により、最適歪量は約１０％低減されていることがわかる。
【００５５】
以上のことから、本実施形態を適用した構造のＳＯＡでは、必要な光活性層５の歪量が低減できるので、図４（ａ）、図４（ｂ）に示す比較例に比べて臨界膜厚を厚くすることができる。従って、結晶品質の劣化による特性劣化を生じさせずに光活性層５を厚膜化して高効率な偏波無依存型ＳＯＡを実現することができる。
【００５６】
図８は、偏波無依存型ＳＯＡの内部損失係数αの低減効果の大きさが、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層３の厚さに依存することを示している。図８によれば、ガイド層３を厚くするほど内部損失係数は低減し、ガイド層３の層厚が５００ｎｍの場合には、約５ｃｍ−１以上の十分に大きな内部損失低減効果が得られる。
【００５７】
また、ガイド層３の厚さが０ｎｍから５００ｎｍまで増加することにより内部損失係数αは大きく低減するが、その厚さが５００ｎｍより大きくなると、内部損失係数αの低減率は小さくなって飽和傾向になる。このことは、ガイド層３の厚さを５００ｎｍ以上にすると、ガイド層３の厚さにずれが生じても内部損失係数αの変動が小さく、安定した値に
設定できることを意味する。従って、ガイド層３の挿入による内部損失係数αを低減する場合には、その膜厚を５００ｎｍ以上に設定することになる。
【００５８】
図９は、偏波間内部損失係数差（αＴＥ−αＴＭ）がガイド層３の厚さに依存することを示している。図９によれば、図４（ａ）、図４（ｂ）に示す比較例の構造では、ガイド層３の厚さが０ｎｍであり、ＴＭ偏波モードの内部損失が大きく、（αＴＥ−αＴＭ）は負の値となる。これに対し、ガイド層３の層厚が５００ｎｍ以上、好ましくは６００ｎｍ以上では、αＴＥとαＴＭの大小関係が逆転して（αＴＥ−αＴＭ）が正の値に転じ、上記したと同様に、ＳＯＡの偏波無依存化に必要な歪量εが低減される。
【００５９】
図８、図９の関係によれば、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層３を５００ｎｍ以上、好ましくは６００ｎｍ以上、より好ましくは６３０ｎｍ以上の厚さに形成することにより、充分大きな内部損失係数の低減効果が得られ、かつ内部損失係数のＴＥ・ＴＭ偏波モード間の大小関係に逆転が生じる。従って、そのような膜厚のガイド導３を挿入することにより、偏波無依存化に必要な光活性層５の伸張歪の歪量εが低減される事がわかる。
【００６０】
なお、ガイド層３の厚さは図８に示す５００ｎｍを超えた場合においても、特に不具合は生じないため、ガイド層３の厚さの上限値は存在しない。また、光導波路の内部損失が低減することにより、ＳＯＡの利得が増大し、雑音指数が低減するので、特性が良好なＳＯＡが実現される。
【００６１】
以上の実施形態に係る偏波無依存型ＳＯＡによれは、ガイド層３を有しない偏波無依存型ＳＯＡに比べて、ＴＭ偏波モードの光閉じ込め係数が大きくなるとともにＴＥ及びＴＭ偏波モードの導波路内損失係数が低減する。さらに、本実施形態の偏波無依存型ＳＯＡによれば、ＴＥ偏波モードの導波路内部損失係数はＴＭ偏波モードの導波路内部損失係数より大きくなる。従って、そのような構造によれば、ガイド層３を有しないＳＯＡに比べて、伸張歪ＭＱＷ光活性層５の歪み量を小さくし、伸張歪ＭＱＷ光活性層５を厚くしても偏波無依存化が図れる。これにより、低消費電力の偏波無依存型ＳＯＡを実現することができる。
【００６２】
上記のようなＢＨ構造を有する偏波無依存型ＳＯＡの構造は、上記の構造に限られるものではなく、他の手段・構造を採用してもよい。例えば、基板についてはｐ型ＩｎＰ基板を用いても良い。この場合、光活性層５から基板側にｐ−ＩｎＰクラッド層が形成される。また、上部電極側がカソード電極となり、光導波路層５の上にｎ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層とｎ−ＩｎＰクラッド層が形成される。
【００６３】
ただし、ｐ型ＩｎＰ基板を用いる構造では、充分な厚さのｎ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層及びｎ−ＩｎＰクラッド層を形成しないと、光導波モード分布が上部電極にかかって損失を受けやすくなるため、上記のようにｎ型ＩｎＰ基板を用いた構造の方が高い設計自由度を有する。
【００６４】
上記の実施形態では伸張歪ＭＱＷ光活性層を持つ偏波無依存型ＳＯＡを形成したが、光活性層の構造はこれに限られるものではなく、伸張歪バルク光活性層や量子ドット光活性層においても上記の条件のガイド層の適用が可能である。ＳＣＨ層ついても層の有り、無しについても多様な構造が適用可能である。
【００６５】
ｎ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層の配置について、上記構造ではＳＣＨ層とｎ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層が直接積層された構造としたが、それらの間にｎ−ＩｎＰクラッド層を挿入した構造についても適用可能である。しかしこの場合、ｎ−ＩｎＰクラッド層及びｎ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層の伝導帯ポテンシャル分布において、障壁が生じて電気伝導を妨げ
る恐れもあるため、ｎ−ＩｎＰクラッド層が挿入されない構造の方が好ましい。
【００６６】
（第２の実施の形態）
図１０Ａ〜図１０Ｄは、第２実施形態に係るリッジ導波路構造の偏波無依存型半導体光増幅装置（ＳＯＡ）の形成工程を示す断面図である。
【００６７】
次に、図１０Ａに示す構造を形成するまでの工程について説明する。なお、化合物半導体層を示すガリウム、インジウム、リン、ヒ素等の元素は元素記号Ｇａ、Ｉｎ、Ｐ、Ａｓ等で示している。
【００６８】
まず、ｎ型ＩｎＰ基板２１上に、厚さ約２００ｎｍのｎ−ＩｎＰクラッド層２２と、厚さ約５００ｎｍ以上、例えば１０００ｎｍのｎ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層２３と、厚さ約１１０ｎｍｍのｉ−ＧａＩｎＡｓ伸張歪バルク光活性層２５を形成する。さらに、伸張歪バルク光活性層２５上には、厚さ約２０００ｎｍのｐ−ＩｎＰクラッド層２７と、厚さ約３００ｎｍのｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２８を形成する。ｎ−ＩｎＰクラッド層２２からコンタクト層２８までは順に例えばＭＯＶＰＥを用いてエピタキシャル成長する。
【００６９】
伸張歪バルク光活性層２５は、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓの組成を調整することにより、例えば０．８９％の歪量に調整されるが、これに限るものではない。
【００７０】
ｎ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層２３のＧａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐの組成は、エネルギーバンドギャップ波長が伸張歪バルク光活性層２５とｎ−ＩｎＰクラッド層２２の中間になるように調整される。ガイド層２３の組成のエネルギーバンドギャップ波長は、例えば１．０５μｍに設定される。
【００７１】
コンタクト層２８を形成した後に、ｎ−ＩｎＰ基板２１をＣＶＤ装置に搬送し、そのチャンバ内でコンタクト層２８の上面上に誘電体膜２９として例えば厚さ約２００ｎｍのシリコン酸化膜を形成する。さらに、ＣＶＤ装置からｎ−ＩｎＰ基板２１を取り出した後に、誘電体膜２９上にフォトレジストを塗布し、これを露光、現像することにより、幅２．０μｍのストライプの導波路形状のレジストパターン３０を形成する。
【００７２】
次に、図１０Ｂに示す構造を形成するまでの工程を説明する。
まず、レジストパターン３０をマスクに使用して誘電体膜２９をエッチングし、誘電体膜２９からなるハードマスク２９ａを形成する。誘電体膜２９のエッチングは、例えばフッ素系ガスを用いる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法のようなドライエッチングを採用するが、フッ酸を用いるウエットエッチングであってもよい。
【００７３】
続いて、ハードマスク２９ａから露出した領域のコンタクト層２８からｐ−ＩｎＰクラッド層２７の途中までをドライエッチングして２つの凹部２１ａを形成することにより、凹部２１ａに挟まれた幅２．０μｍ、深さ２．０μｍのリッジ導波路構造２６を形成する。この場合のドライエッチングとして、例えばＩＣＰ・ＲＩＥ法を使用する。また、エッチングガスとして塩素系ガスを使用する。ここで、リッジ構造の形成の際には光活性層２５はエッチングされないが、ｐ−ＩｎＰクラッド層２７をどの深さまでエッチングするかは特に限定されるものではなく、他の構造でも実施可能である。
【００７４】
続いて、図１０Ｃに示すように、ハードマスク２９ａを除去した後に、ベンゾシクロブテン（benzocyclobutene: ＢＣＢ）、ポリイミド系有機化合物、エポキシ系有機化合物、アクリル系有機化合物等のポリマ材料の誘電体層３１をリッジ導波路の両側の凹部２１ａ内に充填して上面を平坦化する。
【００７５】
さらに、ｎ−ＩｎＰ基板２１の裏面を研磨した後、ｎ−ＩｎＰ基板２１の裏面にカソード電極４２を形成し、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２８上にアノード電極４３を形成する。以上でウエハプロセスは完了となる。
【００７６】
この後、ｎ−ＩｎＰ基板１であるｎ−ＩｎＰウエハをアレイ劈開し、必要に応じて素子の入出力端面に誘電体多層膜によるＡＲコーティングを施し、チップ分離して偏波無依存型ＳＯＡを完成する。
【００７７】
以上の手順で作製された偏波無依存型ＳＯＡは、図１１（ａ）、図１１（ｂ）に示したＴＥ偏波、ＴＭ偏波の導波モード分布を有し、図１２（ａ）、図１２（ｂ）に示すガイド層２３を有しない構造の偏波無依存型ＳＯＡに比べて、各偏波の導波モードがｎ−ＩｎＰクラッド層２２側に寄っている。
【００７８】
また、本実施形態に係る偏波無依存型ＳＯＡは、第１実施形態と同様に、図１３に示したＴＥ偏波モード、ＴＭ偏波モードについて異方的な内部損失低減効果を有する。これにより、図１４に示すように、ガイド層２３の無い構造に比べ、約４％小さい歪量の伸張歪バルク光活性層２５により利得の偏波無依存化が実現でき、光活性層２５の臨界膜厚を大きくすることができる。また、内部損失が低減することにより、利得の増大や雑音指数低減といった効果も得られて特性が良好なＳＯＡ素子が実現されている。
【００７９】
なお、リッジ導波路構造を有する偏波無依存型ＳＯＡについては、上記の構造に限定されるものではなく、他の手段や構造をもとりうる。例えば、基板についてはｐ型ＩｎＰ基板を用いてもよい。この場合、伸張歪バルク光活性層２５からｐ型ＩｎＰ基板側にｐ−ＩｎＰクラッド層が形成され、基板と反対側にカソード電極、ｎ−ＩｎＰクラッド層が形成され、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰガイド層は伸張歪バルク光活性層より上に形成される。
【００８０】
本実施形態では伸張歪バルク光活性層を持つＳＯＡについて説明したが、光活性層構造は上記の限りでなく、例えば量子ドット光活性層を採用してもよい。また、本実施形態において、第１実施形態と同様に、光活性層２５の上と下にＳＣＨ層を形成した構造を採用してもよい。
【００８１】
本実施形態は、光活性層５を中心とする光導波路がＴＥ、ＴＭの各偏波モードについて単一の導波モードのみを持つ必要があるので、光活性層５とガイド層３をコアとする複数の導波モードが存在し、各モード間で光パワーの遷移が生じるような構造は採用しない。
【００８２】
ここで挙げた全ての例および条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明および概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例および条件に限定することなく解釈され、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換および変形を施すことができると理解される。
【００８３】
次に、本発明の実施形態について特徴を付記する。
（付記１）ＩｎＰ基板の上方に形成されるｎ型ＩｎＰクラッド層と、前記ＩｎＰ基板の上方に形成されるｐ型ＩｎＰクラッド層と、前記ｎ型ＩｎＰクラッド層と前記ｐ型ＩｎＰクラッド層の間に形成され、伸張歪が加えられた光活性層と、前記光活性層と前記ｎ型ＩｎＰクラッド層の間に、５００ｎｍ以上の厚さに形成され、ＩｎＰと前記光活性層の間の大きさのエネルギーバンドギャップ波長を有する化合物半導体から形成されるｎ型ガイド層と、を有する偏波無依存型半導体光増幅装置。
（付記２）前記ｎ型ガイド層の前記化合物半導体は、ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ層
（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）であることを特徴とする付記１に記載の偏波無依存型半導体光増幅装置。
（付記３）前記光活性層と前記ｎ型ガイド層の間には、前記光活性層と前記ｎ型ガイド層の間の大きさのエネルギーバンドギャップ波長を有する材料からなる光・キャリア分離閉じ込め層が形成されていることを特徴とする付記１又は付記２に記載の偏波無依存型半導体光増幅装置。
（付記４）前記光活性層と前記光・キャリア分離閉じ込め層のいずれかは前記ｎ型ガイド層に接して形成されていることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１つに記載の偏波無依存型半導体光増幅装置。
（付記５）前期光活性層を中心とする光導波路は、ＴＥ偏波方向とＴＭ偏波方向に対してそれぞれ単一の導波モードを有することを特徴とする付記１乃至付記４のいずれか１つに記載の偏波無依存型半導体光増幅装置。
（付記６）ＩｎＰ基板はｎ型であり、前記ｎ型ガイド層は、前記光活性層に対して前記ＩｎＰ基板寄りに形成されていることを特徴とする付記１乃至付記５のいずれか１つに記載の偏波無依存型半導体光増幅装置。
（付記７）前記光活性層と少なくとも一部の前記ｐ型ＩｎＰクラッド層と少なくとも一部の前記ｎ型ＩｎＰクラッド層は、ストライプ形状を有し、両側から埋込ヘテロ接合型電流ブロック層に挟まれていることを特徴とする付記１乃至付記６のいずれか１つに記載の偏波無依存型半導体光増幅装置。
（付記８）前記光活性層において、幅が厚さよりも大きいことを特徴とする付記７に記載の偏波無依存型半導体光増幅装置。
（付記９）前記ストライプ形状は、前記光活性層、前記ｎ型ＩｎＰクラッド層、前記ｐ型ＩｎＰクラッド層及び前記ｎ型ガイド層に形成され、端部で導波路幅が変化する幅テーパ構造を有し、前記埋込ヘテロ接合型電流ブロック層に両側が挟まれる導波路メサ構造は、前記光活性層、前記ｎ型ＩｎＰクラッド層、前記ｐ型ＩｎＰクラッド層、及び前記ｎ型ガイド層全体に形成されていることを特徴とする付記７に記載の偏波無依存型半導体光増幅装置。
（付記１０）前記ｎ型ＩｎＰクラッド層と前記ｐ型ＩｎＰクラッド層のうち前記ＩｎＰ基板に対してより上側の層は、光導波路に沿った領域に凸状のリッジ構造を有することを特徴とする付記１乃至付記６のいずれか１つに記載の偏波無依存型半導体光増幅装置。
【符号の説明】
【００８４】
１  ｎ型ＩｎＰ基板
２  ｎ型ＩｎＰクラッド層
３  ｎ型ＧａＩｎＡｓＰガイド層
４  ＳＣＨ層
５  伸張歪ＭＱＷ光活性層
６  ＳＣＨ層
７  ｐ型ＩｎＰクラッド層
８  コンタクト層
１１  電流ブロック層
１２  カソード電極
１３  アノード電極
２１  ｎ型ＩｎＰ基板
２２  ｎ型ＩｎＰクラッド層
２３  ｎ型ＧａＩｎＡｓＰガイド層
２５  伸張歪バルク光活性層
２７  ｐ型ＩｎＰクラッド層
２８  コンタクト層
３１  電流ブロック層
３２  カソード電極
３３  アノード電極
【図１Ａ】
2012160518.tif 000003
【図１Ｂ】
2012160518.tif 000004
【図１Ｃ】
2012160518.tif 000005
【図１Ｄ】
2012160518.tif 000006
【図２】
2012160518.tif 000007
【図３】
2012160518.tif 000008
【図４】
2012160518.tif 000009
【図５】
2012160518.tif 000010
【図６】
2012160518.tif 000011
【図７】
2012160518.tif 000012
【図８】
2012160518.tif 000013
【図９】
2012160518.tif 000014
【図１０Ａ】
2012160518.tif 000015
【図１０Ｂ】
2012160518.tif 000016
【図１０Ｃ】
2012160518.tif 000017
【図１０Ｄ】
2012160518.tif 000018
【図１１】
2012160518.tif 000019
【図１２】
2012160518.tif 000020
【図１３】
2012160518.tif 000021
【図１４】
2012160518.tif 000022