JP2011233727A

JP2011233727A - 半導体光増幅器、半導体光増幅器によるレーザ光源、波長掃引光源、ｏｃｔ装置

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Publication number: JP2011233727A
Application number: JP2010102995A
Authority: JP
Inventors: Makoto Oigawa; 誠大井川
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2011-11-17

Abstract

【課題】簡便な構造で雑音特性の改善を図ることが可能となる半導体光増幅器を提供する。
【解決手段】基板上に、活性層を含む複数の半導体層が積層された構造を備え、活性層における光導波路の入射側から出射側に信号光を増幅しながら導波する一方、
活性層に対し、外部光照射手段により外部光を照射して該活性層内のキャリア数を減少させるようにした半導体光増幅器であって、
外部光照射手段は、光導波路において信号光を導波する方向と直交する方向に、外部光が照射可能に構成されると共に、
外部光照射手段により外部光を活性層に照射するに当たり、光導波路における信号光の入射側では強い光強度で、光導波路における信号光の出射側では弱い光強度で照射可能に構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体光増幅器、半導体光増幅器によるレーザ光源、波長掃引光源、ＯＣＴ装置に関し、特に、信号光を増幅する際の雑音特性の改善を図るようにした半導体光増幅器に関するものである。

光を増幅する手段として、半導体光増幅器（ＳＯＡ：ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＯｐｔｉｃａｌＡｍｐｌｉｆｉｅｒ、以下これをＳＯＡと記す。）が開発されてきた。
通信の世界では遠距離伝送に伴う信号強度の劣化に対し、ＳＯＡを用いた光増幅技術が試みられている。また、ＳＯＡを利得媒体としたレーザ光源の開発も行われている。
一方、ＳＯＡを含む半導体素子の活性層へ信号光とは別の外部光を照射することで起こる、光クエンチング効果が知られている（例えば、特許文献１参照）。
これは外部光を活性層へ照射することにより誘導放出を促し、活性層内のキャリア数を減少させることで発光量、ひいては利得を減少させる効果である。

ところで、ＳＯＡを用いて所望の光を増幅する際には、活性層で発生する自然放出（ＡＳＥ：ＡｍｐｌｉｆｉｅｄＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓＥｍｉｓｓｉｏｎ）光による雑音成分が問題視されてきた。このようなＡＳＥ光に起因する雑音成分は信号のＳＮ比を劣化させ、さらにＳＯＡを利得媒体としたレーザでは所望のモード以外である寄生発振の原因となっていた。この雑音特性を改善するため、例えば特許文献２に挙げるような前段と後段の増幅部の間に過飽和吸収層を配置し、信号光に対して強度の弱い雑音成分のＡＳＥ光を取り除く構造の低雑音半導体光増幅器が提案されている。

特開平９−１０２６４４号公報特開２０００−３６６４１号公報

しかしながら、上記従来例の特許文献２における低雑音半導体光増幅器では、ＳＯＡにおいて信号光を増幅する際の雑音特性を改善することはできるが、構造が複雑であることから作製が簡便ではない。
また、複数の増幅部の間に過飽和吸収層を作り込むことは、結晶品質が問題視される活性層において必ずしも好ましい構造ではない。

本発明は、上記課題に鑑み、簡便な構造で雑音特性の改善を図ることが可能となる半導体光増幅器、半導体光増幅器によるレーザ光源、波長掃引光源、ＯＣＴ装置を提供することを目的とする。

本発明は、つぎのように構成した半導体光増幅器、半導体光増幅器によるレーザ光源、波長掃引光源、ＯＣＴ装置を提供するものである。
本発明の半導体光増幅器は、基板上に、活性層を含む複数の半導体層が積層された構造を備え、前記活性層における光導波路の入射側から出射側に信号光を増幅しながら導波する一方、
前記活性層に対し、外部光照射手段により外部光を照射して該活性層内のキャリア数を減少させるようにした半導体光増幅器であって、
前記外部光照射手段は、前記光導波路において前記信号光を導波する方向と直交する方向に、前記外部光が照射可能に構成されると共に、
前記外部光照射手段により外部光を前記活性層に照射するに当たり、前記光導波路における信号光の入射側では強い光強度で、前記光導波路における信号光の出射側では弱い光強度で照射可能に構成されていることを特徴とする。
また、本発明のレーザ光源は、上記した半導体光増幅器によって利得媒体が構成されていることを特徴とする。
また、本発明の波長掃引光源は、上記したレーザ光源を用いて構成されていることを特徴とする。
また、本発明のＯＣＴ装置は、上記した波長掃引光源を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、簡便な構造で雑音特性の改善を図ることが可能となる半導体光増幅器、半導体光増幅器によるレーザ光源、波長掃引光源、ＯＣＴ装置を実現することができる。

本発明の実施形態におけるＳＯＡ（半導体光増幅器）の構成例を説明する図。本発明の実施例１におけるＳＯＡ（半導体光増幅器）の構成例を説明する図。本発明の実施例１の別の形態におけるＳＯＡ（半導体光増幅器）の構成例を説明する図。本発明の実施例２におけるＳＯＡ（半導体光増幅器）の構成例を説明する図。本発明の実施例３における実施例１や実施例２のＳＯＡを利得媒体に用いた波長掃引光源の構成例について説明する図。本発明の実施例４における実施例３の波長掃引光源を用いたＯＣＴ装置の構成例を説明する図。

本発明の実施形態におけるＳＯＡ（半導体光増幅器）の構成例について、図１を用いて説明する。
図１（ａ）は本実施形態のＳＯＡの断面の構成を示す模式図であり、１は活性層１０３に形成された光導波路における信号光の導波方向を示す。
図１に示されるように、ＳＯＡの活性層１０３に対し、上記活性層１０３の光導波路における信号光の導波方向１と直交する方向から、外部光１０４を照射する。
その際、本実施形態のＳＯＡにおいては、信号光の入射側１０１では強い光強度で外部光１０４をＳＯＡの活性層１０３に照射し、信号光の出射側１０２では弱い光強度で外部光を活性層１０３に照射するための構造を、つぎのように構成する。
例えば、このような構造として、上記活性層１０３の光導波路における信号光の導波方向１に、段階的もしくは連続的な遮光強度分布を持った層を、活性層１０３を含むＳＯＡを構成する構造の外側に付与する。
もしくは、外部光自体に上記信号光の光導波路における信号光の導波方向１に段階的もしくは連続的な光強度分布を持たせるように構成しても良い。
すなわち、このような構成を採ることで、活性層１０３に照射される外部光強度は、図１（ｂ）に示されるようになることから、信号光の入射側１０１では出射側１０２に比べて光クエンチング効果が強く起こる。
つまり、図１（ｃ）のように出射側１０２に比べて入射側１０１では活性層１０３内のキャリア数が少ない状態となり、自然放出によるＡＳＥ光の発光強度が小さくなる。誘導放出の確率は種光の光強度に比例して大きくなる。
そのため、出射側１０２から入射側１０１へ進行して増幅されたＡＳＥ光の光強度に比べ、入射側１０１から出射側１０２へ進行して増幅されたＡＳＥ光の光強度のほうが小さくなる。
このような構成によれば、信号光を活性層１０３の光導波路における導波方向１に進行させて増幅する際に、雑音成分が少ないＳＯＡを構成することが可能となる。
さらに、外部光を活性層に照射するに当たり、外部光照射手段によって、上記信号光を導波する方向と直交する方向に外部光を照射可能に構成することで、信号光と同じ波長の光を外部光に用いても増幅された信号光に外部光成分が重畳される影響を低減できる。

以下、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用したＳＯＡ（半導体光増幅器）の構成例を、図２を用いて説明する。
図２（ａ）に光路１と垂直な方向から見たＳＯＡ側面の断面図を示す。
図２（ａ）に示すように、本実施例のＳＯＡは、基板上に、活性層を含む複数の半導体層が積層された構造を備える。
具体的には、下面から順に、Ｎ電極２１７、基板２１１、Ｎクラッド層２１２、活性層２１３、Ｐクラッド層２１４、キャップ層２１５、Ｐ電極２１６が形成された構造を備える。
活性層２１３やクラッド層の材料は、所望の波長帯に適した材料で構成されるのが好適であり、本実施例では波長１．５５μｍ帯として活性層にＩｎＧａＡｓＰ、クラッド層にＩｎＰを用いた。
このように形成されたＳＯＡの構造の側面に対し、図２（ｂ）に示すように出射側２３２に近い側面の半分だけを、遮光層２２０で覆う。
遮光層２２０は赤外波長領域の光を反射する材料である酸化スズ（ＳｎＯ）や酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などをコンパウンドしたフイルムを用いた。
このような遮光層２２０を上記ＳＯＡの構造の外側から、半導体用絶縁性接着剤を用いて貼り付ける。
また、遮光層はマスクによってパターニングを施し、下地に二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）を敷いた上にアルミニウム（Ａｌ）などの該波長を反射する金属層を真空蒸着やスパッタリングによって構成しても良い。
入射側２３１から出射側２３２に向かう活性層２１３を導波する信号光の導波方向１に対し、垂直な方向から外部光２４１を照射することで光クエンチング効果を誘起し、キャリア数分布が図２（ｃ）のようになる。

これにより、上記のように信号光の導波方向１において光を増幅する際に、ＡＳＥ光による雑音成分が改善されたＳＯＡを構成することができる。
また、遮光度が高いほどキャリア数の減少が顕著に起こり、雑音特性改善の効果をより一層高くすることが可能となる。
さらに、複数の遮光層を用い、該複数の遮光層を光導波路における信号光の入射側から出射側へ段階的に遮光機能が増加するように構成してもよい。具体的には、遮光層３０１、３０２、３０３を図３のように複数配置し、その幅を信号光の導波方向１に沿って順次太くすることで、活性層３１０に照射される外部光３２０の実効的な光強度を信号光の導波方向１に沿って段階的に弱めるように構成することができる。
図２（ａ）の構成に比べて雑音成分が増えるが、ＳＯＡの増幅率としては高い利得が得られる。
そして、信号光の導波方向１に沿って遮光度を連続的に増加させた遮光層を、活性層の側面全体に付与した構成でも良い。
外部光の照射強度も連続的に減少することとなり、キャリア分布も連続的なものとなる。
また、外部光を活性層へ照射する方向は、上記活性層２１３を導波する信号光の導波方向１と垂直であること好ましく、それはＳＯＡ側面に限定されるものではない。
例えば、上部または下部の電極に窓を開け、上記したような吸収強度に分布を持った遮光層の配置構成を採ることで、段階的もしくは連続的な光強度分布を持たせた外部光を活性層へ照射することができる。

［実施例２］
実施例２として、外部光自体に上記活性層の光導波路における信号光の導波方向１に段階的もしくは連続的な光強度分布を持たせるようにした構成例について説明する。
図４は外部光４０１を信号光の導波方向１に沿って透過光強度が減少する光減衰フィルター４０２に通し、集光レンズ４０３を介してＳＯＡ４０４の活性層へ照射する構成の上面図である。
これにより、活性層内部のキャリア分布は図１（ｃ）のようになり、先述のようなＡＳＥ光による雑音特性が改善されたＳＯＡを構成できる。この光減衰フィルターの強度分布は連続的でも、段階的でもよい。

［実施例３］
実施例３として、実施例１や実施例２に示したＳＯＡを利得媒体に用いた波長掃引光源の構成例について説明する。
非特許文献１（Ｓ．Ｙａｍａｓｈｉｔａ，ｅｔａｌ．Ｏｐｔ．Ｅｘｐ．Ｖｏｌ．１４，ｐｐ．９２９９２００６）では、ＳＯＡを利得媒体としてリング共振器を組み、共振器内の変調器の周波数をＦＭ変調することで波長掃引できる、分散チューニングという手法を用いた波長掃引レーザ光源の構成が報告されている。
このようなレーザ光源の構成を適用した本実施例の構成例を、図５に示す。
本発明に係るＳＯＡ５０１を利得媒質として用い、アイソレータ５０２、出力用カプラ５０３、分散付与ファイバー５０４が、光ファイバーを通じて光学的に結合され、リング共振器を形成している。
このようなリングレーザの系において、共振器長によって決まるＦＳＲの整数倍に等しい周波数で強度変調することで、能動モード同期動作となる。
強度変調はＳＯＡ５０１へ印加する電流に変調成分を重畳することで達成される。
なお、変調手段として先述の光クエンチング効果用の外部光とは別の外部光を変調して活性層に照射することや、ＥＯＭなどの光変調器を用いてもよい。
この能動モード同期状態において変調周波数をＦＭ変調することで、分散チューニングを動作原理とする波長掃引光源が達成される。
このように本発明に係るＳＯＡを利得媒体として用いることで、ＡＳＥ光に起因する雑音成分が小さい、つまり所望のモード以外の寄生発振が起こり難いレーザ光源が達成できる。

［実施例４］
実施例４として、実施例３に記載の波長掃引光源を用いたＯＣＴ装置の構成例を、図６を用いて説明する。
波長掃引光源６０１から出た光をカプラ６０２を通じて被検体６０３へと導かれるサンプル光６０４と、固定ミラー６０５へと導かれる参照光６０６とに分割する。
分割されたあと、サンプル光６０４はコリメータレンズ６０７と走査鏡６０８および対物レンズ６０９を経て、被検体６０３へと導かれる。
被検体６０３の深さ情報を持って反射された光はもと来た光路を戻り、再びカプラ６０２に戻る。
一方、参照光６０６はコリメータレンズ６１０、対物レンズ６１１を通過したのち固定ミラー６０５にて反射され、もと来た光路を戻り再びカプラ６０２へと戻りサンプル光と共にフォトダイオード６１２へと導かれ干渉信号を生成する。
計算処理機６１３においてこの干渉信号を光源走査信号をもとに再配列し、フーリエ変換を中心とした信号処理をすることで深さ方向断層画像を取得できる。

１０１：信号光の入射側
１０２：信号光の出射側
１０３：活性層
１０４：外部光

Claims

基板上に、活性層を含む複数の半導体層が積層された構造を備え、前記活性層における光導波路の入射側から出射側に信号光を増幅しながら導波する一方、
前記活性層に対し、外部光照射手段により外部光を照射して該活性層内のキャリア数を減少させるようにした半導体光増幅器であって、
前記外部光照射手段は、前記光導波路において前記信号光を導波する方向と直交する方向に、前記外部光が照射可能に構成されると共に、
前記外部光照射手段により外部光を前記活性層に照射するに当たり、前記光導波路における信号光の入射側では強い光強度で、前記光導波路における信号光の出射側では弱い光強度で照射可能に構成されていることを特徴とする半導体光増幅器。
前記活性層を含む複数の半導体層が積層された構造における前記光導波路の信号光の出射側の側面が、遮光層によって覆われた構成を備え、
前記外部光が、信号光の入射側では強い光強度で、信号光の出射側では弱い光強度で照射可能に構成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器。
前記活性層を含む複数の半導体層が積層された構造における側面に、複数の遮光層が取り付けられ、該複数の遮光層は前記光導波路における信号光の入射側から出射側へ段階的に遮光機能が増加するようにした構成を備え、
前記外部光が、前記光導波路における信号光の入射側では強い光強度で、前記光導波路における信号光の出射側では弱い光強度で照射可能に構成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器。
前記活性層を含む複数の半導体層が積層された構造における側面に、前記光導波路における信号光の入射側から出射側へ連続的に遮光機能が増加するように構成された遮光層が取り付けられた構成を備え、
前記外部光が、前記光導波路における信号光の入射側では強い光強度で、前記光導波路における信号光の出射側では弱い光強度で照射可能に構成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器。
前記外部光照射手段により外部光を前記活性層に照射するに当たり、該外部光を前記光導波路における信号光の入射側から出射側へ透過光強度が減少する減衰フィルターを介して該外部光を該活性層に照射する構成を備え、
前記外部光が、前記光導波路における信号光の入射側では強い光強度で、前記光導波路における信号光の出射側では弱い光強度で照射可能に構成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器。
前記減衰フィルターが、前記外部光を前記光導波路における信号光の入射側から出射側へ透過光強度が連続的に減少する減衰フィルターによって構成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器。
前記減衰フィルターが、前記外部光を前記光導波路における信号光の入射側から出射側へ透過光強度が段階的に減少する減衰フィルターによって構成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器。
請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体光増幅器によって利得媒体が構成されていることを特徴とするレーザ光源。
請求項８に記載のレーザ光源を用いて構成されていることを特徴とする波長掃引光源。
請求項９に記載の波長掃引光源を備えていることを特徴とするＯＣＴ装置。