(57)【要約】【課題】量子ドット形成において発生する歪エネルギーの蓄積に伴って起こる結晶品質の劣化を避け、高度な制御を用いずに高い結晶品質を維持でき、かつ再現性のよい製造方法で実現できる半導体光増幅器を実現する。【解決手段】量子ドットのアスペクト比をなるべく等方的にして、ＴＭ偏光の利得を得る。また、近接積層させず、通常の中間層を介した積層として歪の蓄積を回避する。偏光無依存化のために、２個以上に区切って個別に電流注入できる電極構造とする。通常は、ＴＥ偏光が支配的な利得を受ける。しかし、低い注入電流では、ＴＥ偏光の光吸収が優先的なので、最終的利得は、素子分離の仕方や注入電流でバランスさせて偏光無依存にすることができる。近接積層効果は、ＴＥ偏光の長波長化が１０％以下となるようにする。また、量子ドットのアスペクト比は１対１から１対２０までとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ドット構造の半導体光増幅器であって、
上記半導体光増幅器の光路上に、利得領域と偏波調整領域とを有し、
上記利得領域と偏波調整領域とは、共通の量子ドット構造であり、
上記利得領域の電極と偏波調整領域の電極は各々所定の電源に接続され、上記電極は互いに分離されて、その各々の電極には独立な電圧印可が可能であり、
上記利得領域は、TE偏光の光利得とともにTM偏光に対する利得を有するものであり、
上記利得領域の電極に印加する電圧は、TM偏光に対する光増幅利得が得られる電圧で、上記偏波調整領域の電極に印加する電圧は、TＥ偏光に対する損失が起こる電圧であり、
上記電源は、上記利得領域におけるＴＥ偏光の利得とＴＭ偏光の利得とにおける利得デシベル差を上記偏波調整領域におけるＴＭ偏光の損失とＴＥ偏光の損失とにおける損失デシベル差で相殺可能となる、上記利得領域の電極へ印加する電圧と上記偏波調整領域の電極へ印加する電圧との組み合わせを供給できるものであることを特徴とする半導体光増幅器。
【請求項２】
上記偏波調整領域は、複数の偏波調整副領域からなり、印加する電圧の違いによって複数の領域に分類可能な電極構成を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体光増幅器。
【請求項３】
上記量子ドット構造における中間層の厚さは、量子ドット構造における近接積層効果であるＴＥ偏光に対する利得帯域の長波長化が、該効果が無い場合に比べて１０％以下となる厚さであることを特徴とする、請求項１あるいは２のいずれか１つに記載の半導体光増幅器。
【請求項４】
上記利得領域における上記量子ドット構造における量子ドットの高さ対直径のアスペクト比は１対１から１対２０を超えない範囲にあり、かつ、所定の印加電圧の下でＴＭ偏光に対する利得があるアスペクト比である請求項１から３のいずれか１つに記載の半導体光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、入射光の偏光方向に依存した増幅作用の違いである偏波依存性を抑制した半導体光増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体量子ドットは、半導体レーザーや半導体光増幅器などの従来の光デバイスの性能を飛躍的に向上させるということが既に理諭的に示されており、活発に研究されている。特に半導体光増幅器において量子ドットのもつ特徴が顕著になり、高速動作特性に優れ増幅特性が温度無依存であるなどの特性を示す半導体光増幅器が実現されつつある。
しかしながら、半導体光増幅器に用いられる量子ドットは自己形成量子ドットが主流であり、その高さと直径の比が１：５〜１：１０になるという構造異方性が原因となり、TE（Transverse Electric field）偏光の光利得が支配的になるという問題があった。従ってデバイス全体の利得もＴＥ偏光が大きく、ＴＭ（Transverse Magnetic field）偏光の利得との間に差が生じるという問題がある。
【０００３】
従来技術（非特許文献１）では、量子ドット構造の異方性をなるべく等方的に近づけることでＴＭ偏光を増加させ、ＴＥ偏光とＴＭ偏光とに対する光増幅利得を等しくしようとする試みがあった。これは、１層の量子ドット形状の構造異方性の制御には限界があるため、何層かの量子ドット層を近接積層し、それによってその量子ドット間に電子的な結合を起こし、ＴＭ偏光の利得を増加させる手法であった。
【０００４】
しかしながら、上記の手法は、歪エネルギーを量子ドットの形成エネルギーとして利用する自己組織化量子ドットに関するものであるため、歪エネルギーの蓄積に伴う結晶品質の劣化という問題を常に抱えており、高い結晶品質の維持には量子ドット形成において高度な制御が必要であり、再現性の確保などの観点から高コストになる傾向にあった。
【０００５】
また、特許文献１には、量子井戸型構造をもつ光半導体装置で、その量子井戸を構成する積層構造内の活性層に、引張り歪量子井戸構造と圧縮歪量子井戸構造を備えたものが開示されている。この構造では、所定の方向に伝搬する光に対しては引張り歪量子井戸でＴＥおよびＴＭ偏光両方に対して利得が発生する。この光半導体装置は、充分に強い引張り歪下では主にＴＭ偏光に対する利得が大きくなり、圧縮歪量子井戸では主にＴＥ偏光に対して利得が大きくなることを利用している。
【０００６】
特許文献２には、化合物半導体光集積素子で、第１の光機能部の他に、第２の光機能部を同一半導体基板面内に有するもので、第１の光機能部の光導波層ではＴＥ偏波光に対する光利得、光吸収係数のいずれかまたは両者がＴＭ偏波光に対するそれより大きく、第２の光機能部の光導波層では逆にＴＭ偏波光に対する光利得、光吸収係数のいずれかまたは両者がＴＥ偏波光に対するそれより大きいことを特徴とする半導体光集積素子が開示されている。
但し、第１、第２の光機能部の光導波層の少なくとも一部で結晶成長層の格子不整合量が半導体基板に対して異なるものである。
【０００７】
特許文献３には、量子ドットを用い光学利得の制御が可能な半導体装置で、その活性層又は光導波路層に電流注入や電圧印加を行うための電極を複数有し、その電極の各々が電気的に独立であるものが開示されている。
但し、その量子ドットを含む量子ナノ構造の高さが、光の導波方向に対して垂直でかつ前記半導体基板に平行な方向に段階的に又は周期的に変化しているものである。
【０００８】
非特許文献１には、ＳＫ（Stranski-Krastanov）モードのＩｎＡｓドットの近接積層による柱状量子ドットのフォトルミネッセンス（ＰＬ）の偏光の異方性が報告されている。この報告によれば、その異方性は、積層数によって変わり、単層の場合のＰＬは強いＴＥモードを示し、積層数が増えるに従ってＴＭモードが強くなり、９層以上で、ＰＬにおけるその順番が逆転する。また、これを用いて、特定の偏光特性を持たないＰＬ遷移を実現できる旨、報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平８−３０７０１４号公報
【特許文献２】特開２００２−１３４８２６号公報
【特許文献３】特開２００６−６００３５号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】T. Kita, O. Wada, H. Ebe, Y. Nakata, and M. Sugawara “Polarization-Independent Photoluminescence from Columnar InAs/GaAs Self-Assembled Quantum Dots”, Japanese Journal of Applied Physics Vol. 41, No. 10B, pp. L1143-L1145 (2002).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
量子ドット形成において発生する歪エネルギーの蓄積に伴って起こる結晶品質の劣化を避け、量子ドット形成において高度な制御を用いずに高い結晶品質を維持でき、かつ再現性のよい製造方法で実現できる半導体光増幅器とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明では、上記のような歪エネルギーを過剰に蓄積させる手法を用いない。前述の通り、通常の量子ドット型の半導体光増幅器では、量子ドットの高さと直径の比は１：５から１：１０程度になるが、このアスペクト比をなるべく等方的になるように結晶成長することにより、わずかではあるがＴＭ偏光の利得を得られるようにできる。
この結晶成長の際に量子ドット層は近接積層させず、通常の中間層を介した積層とする。これによって電子的な結合は起きないが、歪の蓄積の問題は回避できる。本発明における偏光無依存化の手法は、デバイス構造の多電極化とそのバイアス条件の調整により実現する。すなわち、導波路方向に２個以上に区切った電極構造とし、個別に電流注入できる複数の領域を導波路方向に形成する。
この複数の領域に等しい電流密度の電流を流した場合はＴＥ偏光が支配的な利得を受ける。しかし、一般に、その中の任意の電極の注入電流を落とした場合、光吸収がＴＥ偏光に対して優先的に働くという特性がある。このため、最終的な出力段での利得は、素子の分離の仕方や注入する電流のバランスを調整することにより偏光無依存にすることができる。
【００１３】
このため本発明の半導体光増幅器は、量子ドット構造の半導体光増幅器であって、
上記半導体光増幅器の光路上に、利得領域と偏波調整領域とを有し、
上記利得領域と偏波調整領域とは、共通の量子ドット構造であり、
上記利得領域の電極と偏波調整領域の電極とは各々所定の電源に接続され、上記電極は互いに分離されて、その各々の電極には独立な電圧印可が可能であり、
上記利得領域は、ＴＥ偏光の光利得とともにＴＭ偏光に対する利得を有するもので、ＴＥ偏光の光利得はＴＭ偏光の光利得よりも大きく、
上記利得領域の電極に印加する電圧は、ＴＭ偏光に対する光増幅利得が得られる電圧で、上記偏波調整領域の電極に印加する電圧は、ＴＥ偏光に対する損失が起こる電圧であり、
上記電源は、上記利得領域におけるＴＥ偏光の利得とＴＭ偏光の利得とにおける利得デシベル差を上記偏波調整領域におけるＴＭ偏光の損失とＴＥ偏光の損失とにおける損失デシベル差で相殺可能となる、上記利得領域の電極へ印加する電圧と上記偏波調整領域の電極へ印加する電圧との組み合わせを供給できるものである。
【００１４】
また、上記偏波調整領域は、複数の偏波調整副領域からなり、印加する電圧の違いによって複数の領域に分類可能な電極構成を備えるものであることが望ましい。
【００１５】
また、上記量子ドット構造における中間層の厚さは、量子ドット構造における近接積層効果であるＴＥ偏光に対する利得帯域の長波長化が、該効果が無い場合に比べて１０％以下となる厚さであることが望ましい。
【００１６】
また、上記利得領域における上記量子ドット構造における量子ドットの高さ対直径のアスペクト比は１対１から１対２０を超えない範囲にあり、かつ、所定の印加電圧の下でＴＭ偏光に対する利得があるアスペクト比であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１７】
電極の多重化という比較的簡単なプロセスにより偏光無依存のＳＯＡ（半導体光増幅素子）が作製可能になるため、再現性のよい製造プロセスとなり、歩留まりが向上する。これに伴い素子の製造コストを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の半導体光増幅器の例を示す図で、（ａ）は、そのブロック図であり、（ｂ）は、利得素子と偏波調整素子とに共通な断面構造を示す模式図である。
【図２】量子ドット型の半導体光増幅装置の特性を示す図で、充分に高い電圧を印加することで、各層に平行な偏光であるＴＥ偏光の光利得とともにそれに垂直な偏光であるＴＭ偏光に対する利得を有するが、ＴＥ偏光の光利得の方がＴＭ偏光に対する利得よりも大きい、という特性の実測例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。
【実施例１】
【００２０】
図１（ａ）に、利得領域２０における利得素子２１と偏波調整領域３０における偏波調整素子３１、３２とが、共通電極１０に接続された半導体光増幅器の例を示す。利得領域２０に複数の利得素子を用いることも可能である。利得素子と偏波調整素子とは同じ層構造であるが、素子サイズや素子に印加する電圧が異なる。偏波調整素子３１、３２は、それぞれ偏波調整複領域となるが、異なるサイズで一方を微調用に他方を粗調用に用いたものである。
【００２１】
利得領域２０は、充分に高い電圧Ｖ1を印加することで、各層に平行な偏光であるＴＥ偏光の光利得とともにそれに垂直な偏光であるＴＭ偏光に対する利得を有するが、ＴＥ偏光の光利得の方がＴＭ偏光に対する利得よりも大きいものである。その利得の実測例を図２に示す。
【００２２】
偏波調整領域３０では、ＴＥ偏光、ＴＭ偏光ともに損失が生じる電圧Ｖ2、Ｖ3を印加する。一般に、損失の起こる電圧では、ＴＥ偏光における損失の方がＴＭ偏光のそれより大きく、損失の程度は、印加電圧で調整できる。図１（ａ）の利得領域２０における利得と偏波調整領域３０のおける損失の結果、上記半導体光増幅器における利得は、ＴＥ偏光の利得とＴＭ偏光の利得とが同じか少なくとも３デシベル以内の差に調整する。これによって、偏光依存性がないか、少なくともそれが抑制された半導体光増幅器を実現できる。
【００２３】
上記の様に、利得素子と偏波調整素子とは同じ層構造である。図１（ｂ）に、この断面構造の模式図を示す。図１（ａ）では、利得素子と偏波調整素子とは完全に分離されたものであるが、各素子への電圧印可が互いに干渉しない構造のものであればよいので、例えばｐ＋領域とｐ領域とそれらの領域への電極や配線について、互いに分離されて利得素子と偏波調整素子とが電気的に充分に離間されていれば、他の層については連続した状態のものであってもよいことは、明らかである。
【００２４】
図１（ｂ）に示す構造例は、量子ドット１と中間層２を積層して超格子構造５としたものである。量子ドット１は、ＩｎＡｓ（インジウム−ヒ素）自己集合量子ドットであり、中間層２はＧａＡｓ（ガリウム−ヒ素）層である。量子ドット１は、高さ対直径のアスペクト比は１対１から１対２０を超えない範囲が望ましいが、さらに望ましくは１対５以内にあることが望ましい。これは、アスペクト比が１対１に近い方が増幅率についてＴＥ偏光とＴＭ偏光との差が小さくなるためである。また、この中間層の厚さは充分に厚く、超格子構造５における近接積層効果は、ＴＥ偏光の増幅特性における長波長化で評価した場合１０％以下となる厚さである。
図１（ｂ）では、超格子構造５を、陰極側からのＡｌＧａＡｓクラッド層（ｎ）７とＧａＡｓバッファ層（ｎ＋）８とＧａＡｓ基板９および電極１０で、陽極側からのＡｌＧａＡｓクラッド層（ｐ）４、ＧａＡｓコンタクト層（ｐ＋）３および電極１１で、挟んだ構造である。
【００２５】
図１（ｂ）に示す構造を実現するための、ＩｎＡｓ自己集合量子ドットの成長プロセス例を以下に示す。
１−イ．基板９はｎ型ＧａＡｓのエピ・レディー基板である。
１−ロ．基板を成長室に入れ、６１０℃で１０分のサーマルクリーニングを行って基板表面の酸化膜を除去する。
１−ハ．基板温度を下げ、５８０〜６００℃で厚さ１００ｎｍのＧａＡｓバッファ層８（ｎ＋型）を、５８０〜６００℃で厚さ１５００ｎｍのAlＧａＡｓクラッド層７（ｎ型）を成長させる。
１−ニ．基板温度を４９０℃に下げ、ここで，ＩｎＡｓ量子ドット層１を１．９分子層成長させ、ＧａＡｓ中間層２を例えば厚さ２０ｎｍ成長させる。
１−ホ．この量子ドット層１と中間層２を例えば２０層繰り返し成長させる。
１−へ．基板温度４９０〜５２０℃で厚さ１５００ｎｍのＡｌＧａＡｓクラッド層４（ｐ型）、基板温度４９０〜５２０℃で厚さ１００ｎｍのＧａＡｓコンタクト層３（ｐ＋型）を成長させる。
１−ト．少なくとも上記クラッド層４およびコンタクト層３について、利得領域と偏波調整領域とを、また偏波調整副領域がある場合は、さらに偏波調整副領域とを、エッチングして分離する。
１−チ．保護膜をつけ、コンタクト用の窓を開ける。
１−リ．利得領域と各偏波調整副領域を含む偏波調整領域とに、および基板に各々接続する電極１０、１１を形成する。
【実施例２】
【００２６】
図１（ｂ）に示す構造例は、上記のものとは異なる材料を用いて実現することも可能である。この場合例えば、量子ドット１は、ＩｎＡｓ（インジウム−ヒ素）自己集合量子ドットであり、中間層２はＩｎＧａＡｌＡｓ層である。量子ドット１の望ましいアスペクト比は、上記の場合と同様である。また、この中間層の厚さは上記の場合と同様に、充分に厚く、超格子構造５における近接積層効果は、ＴＥ偏光の増幅特性における長波長化で評価した場合１０％以下となる厚さであることが望ましい。
本実施例における構造は、陰極側からのクラッド層７（ｎ）にＩｎＰもしくはＩｎＡｌＡｓ、バッファ層８（ｎ＋）にＧａＡｓＩｎＰもしくはＩｎＡｌＡｓを、基板９にＩｎＰを用いる。陽極側からのクラッド層４（ｐ）にＩｎＰもしくはＩｎＡｌＡｓを、コンタクト層３（ｐ＋）にＩｎＧａＡｓもしくはＩｎＰを用いて、超格子構造５を挟んだ構造である。
【００２７】
本実施例の構造を実現するための、ＩｎＡｓ自己集合量子ドットの成長プロセス例を以下に示す。
２−イ．基板９はｎ型ＩｎＰのエピ・レディー基板である。
２−ロ．基板を成長室に入れ、６１０℃で１０分のサーマルクリーニングを行って基板表面の酸化膜を除去する。
２−ハ．基板温度を下げ、４５０〜５００℃で厚さ１００ｎｍのＧａＡｓＩｎＰもしくはＩｎＡｌＡｓのバッファ層８（ｎ＋型）を、４５０〜５００℃で厚さ１５００ｎｍのＩｎＰもしくはＩｎＡｌＡｓのクラッド層７（ｎ型）を成長させる。
２−ニ．基板温度を４５０〜４９０℃にして、ＩｎＡｓ量子ドット層１を２〜６分子層成長させ、ＩｎＧａＡｌＡｓ中間層２を例えば厚さ２０ｎｍ成長させる。
２−ホ．この量子ドット層１と中間層２を例えば２０層繰り返し成長させる。
２−へ．基板温度４５０〜５００℃で厚さ１５００〜２０００ｎｍのＩｎＰもしくはＩｎＡｌＡｓクラッド層４（ｐ型）、基板温度４５０〜５００℃で厚さ１００ｎｍのＩｎＧａＡｓもしくはＩｎＰコンタクト層３（ｐ＋型）を成長させる。
以降のプロセスは、上記１−トから１−リまでと同様である。
２−ト．少なくとも上記クラッド層４およびコンタクト層３について、利得領域と偏波調整領域とを、また偏波調整副領域がある場合は、さらに偏波調整副領域とを、エッチングして分離する。
２−チ．保護膜をつけ、コンタクト用の窓を開ける。
２−リ．利得領域と各偏波調整副領域を含む偏波調整領域とに、および基板に各々接続する電極１０、１１を形成する。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
図１（ａ）の構成で、利得素子２１のみに非特許文献１で報告された９層以上の近接積層構造をもった利得素子を用いることによって、ほぼＴＭ偏光のみを選択的に増幅する半導体光増幅器を実現することができる。
【符号の説明】
【００２９】
１  量子ドット
２  中間層
３  コンタクト層
４  クラッド層
５  超格子構造
７  クラッド層
８  バッファ層
９  基板
１０、１１  電極
２０  利得領域
２１  利得素子
３０  偏波調整領域
３１、３２  偏波調整素子
【図１】
2017147297.tif 000003
【図２】
2017147297.tif 000004