JP2000040852A - 広帯域半導体光増幅器 - Google Patents

広帯域半導体光増幅器

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JP2000040852A
JP2000040852A JP10206727A JP20672798A JP2000040852A JP 2000040852 A JP2000040852 A JP 2000040852A JP 10206727 A JP10206727 A JP 10206727A JP 20672798 A JP20672798 A JP 20672798A JP 2000040852 A JP2000040852 A JP 2000040852A
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克之 井本
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 広帯域に亘って平坦な利得特性を有する広帯
域半導体光増幅器を提供する。 【解決手段】 活性層3を光の伝搬方向に並ぶ2つの活
性層3−1,3−2に分割し、これら2つの活性層3−
1,3−2を組成成分が互いに共通でエネルギ・ギャッ
プが互いに異なる材料で構成し、光の入射側の活性層3
−1には光の伝搬方向に層厚が減ずるテーパ部13を形
成し、光の出射側の活性層3−2には光の伝搬方向とは
逆方向に層厚が減ずるテーパ部14を形成し、これらテ
ーパ部13,14を重ね合せることにより前記2つの活
性層3−1,3−2を光結合させた。それぞれの活性層
3−1,3−2の利得特性を合わせた広帯域の利得特性
が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、活性層に電流を注
入することにより、活性層中を伝搬する光が増幅される
ようにした半導体光増幅器に係り、特に、広帯域に亘っ
て平坦な利得特性を有する広帯域半導体光増幅器に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】波長多重伝送を用いた高速、大容量、長
距離伝送方式及びそれに用いる光デバイスの研究開発が
活発に行われている。上記方式を実現する上で広帯域な
光増幅器は必須のデバイスである。この光増幅器として
小型化、低コスト化が期待できる半導体光増幅器が注目
され、その広帯域化のための構成に関する提案が多く行
われるようになってきた。その一つに、図7に示すもの
がある(特開平4−291983号)。これは、半導体
光増幅器において、活性層43a,43bと光導波路4
2a,42b,44a,44bの一方又はその両方の光
の進行方向の途中に単数又は複数の屈折率が変化する部
分を備え、これらの屈折率が変化する部分の間で各々が
光結合した複合共振器が形成されるよう構成したもので
ある。また、上記それぞれの複合共振器に電極46a,
46bを設け、各電極から注入する電流によって複合共
振器の共振ピークを独立に制御できるように構成したも
のである。
【0003】また、別の広帯域化のための構成として、
図8に示されるように、活性層64を2層以上の積層構
造(66,68)とし、上記活性層を構成する各層6
6,68を同一の組成成分であるがエネルギ・ギャップ
が互いに異なる材料で構成し、各層の膜厚を互いに同一
の値とするか又は互いに近い値とする構成が提案されて
いる(特開平3−76186号)。そして、各層のエネ
ルギ・ギャップを各層の材料の組成比を変えることによ
って異なる値に設定してもよいように提案されている。
【0004】さらに、特開平6−283824号には、
活性領域が光閉じ込め層と、少なくとも一層が他層と厚
さが相違し、かつ格子不整合とされた複数の量子井戸層
と、各量子井戸層間に量子井戸層に接して形成された障
壁層とで構成されたものも提案されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来の半導体光増幅器
の広帯域化方式には次のような課題がある。
【0006】(1)図7の構成は、20〜30nmの波
長範囲では、ある程度の平坦な利得特性を得ることが可
能と考えられるが、それよりも広帯域化は期待できな
い。なぜならば、第一共振器の活性層の材料と第二共振
器の活性層の材料とが同じであるからである。また、こ
れら2つの共振器の材料を異ならせることが製法上難し
いからである。
【0007】(2)図8の構成では活性層64をエネル
ギ・ギャップの異なる2層以上の積層構造とすることに
よって広帯域化を図るものであるが、積層された活性層
の全厚みを必然的に厚くしなければならないので、厚み
方向の光閉じ込め効果が弱くなると共に、しきい値電流
の上昇などにより光出力の減少を招く。
【0008】(3)特開平6−283824号の構成も
(2)と同様の問題点がある。
【0009】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、広帯域に亘って平坦な利得特性を有する広帯域半導
体光増幅器を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、基板上に下部クラッド層、活性層及び上部
クラッド層を積層し、この上部クラッド層上に上部電極
を装荷し、前記基板下に下部電極を装荷し、前記上部電
極より前記活性層に電流を注入することにより、前記活
性層中を伝搬する光が増幅されるようにした半導体光増
幅器において、前記活性層を光の伝搬方向に並ぶ2つの
活性層に分割し、これら2つの活性層を組成成分が互い
に共通でエネルギ・ギャップが互いに異なる材料で構成
し、光の入射側の活性層には光の伝搬方向に層厚が減ず
るテーパ部を形成し、光の出射側の活性層には光の伝搬
方向とは逆方向に層厚が減ずるテーパ部を形成し、これ
らテーパ部を重ね合せることにより前記2つの活性層を
光結合させたものである。
【0011】前記2つの活性層は前記テーパ部に連続す
る一定層厚部を有し、これら2つの一定層厚部は層厚が
互いに等しいか近似してもよい。
【0012】前記2つの活性層の組成成分の組成比を互
いに異ならせることによりエネルギ・ギャップを互いに
異ならせてもよい。
【0013】前記上部電極を前記2つの活性層の中間部
分の上部で分離し、分離されたそれぞれの上部電極より
独立に電流を注入するようにしてもよい。
【0014】前記上部電極を前記出射側活性層の上部で
分離し、出射端に近いほうに分離された上部電極に逆方
向電圧を印加することにより、前記出射側活性層の出射
端側を可飽和吸収部としてもよい。
【0015】前記活性層の入出射端に窓領域を設けても
よい。
【0016】前記活性層をバルク構造、量子井戸構造又
は歪量子井戸構造としてもよい。
【0017】前記2つの活性層間に障壁層を設けてもよ
い。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を添付
図面に基づいて詳述する。
【0019】図1に示されるように、本発明の広帯域半
導体光増幅器は、InP(n+ )基板1上に、下部クラ
ッド層となるInP(n)クラッド層2、活性層3、上
部クラッド層となるInP(p)クラッド層4、InG
aAsPコンタクト層5を積層し、InGaAsPコン
タクト層5上に上部電極6を装荷し、InP(n+ )基
板1下に下部電極7を装荷したものである。8−1,8
−2は、光の入射端面及び出射端面に施した無反射コー
ティング層、9は、しきい値電流以下の順方向電流Ik
を注入する端子である。10は、入射端面へ入射させる
信号光を示し、11は、出射端面より出射される増幅さ
れた信号光を示す。
【0020】本発明の特徴として、活性層3が光の伝搬
方向に並ぶ2つの活性層3−1,3−2に分割されてい
る。光の入射側に位置する活性層3−1を入射側活性層
と呼び、出射側に位置する活性層3−2を出射側活性層
と呼ぶことにする。これら2つの活性層3−1,3−2
は、組成成分が互いに共通でエネルギ・ギャップが互い
に異なる材料で構成されている。即ち、入射側活性層3
−1は、組成成分としてIn,Ga,As,Pを有し、
バンド・ギャップ波長がλhとなるような材料In1-x
Gax As1-y y で構成され、出射側活性層3−2
は、組成成分としてIn,Ga,As,Pを有し、バン
ド・ギャップ波長がλlとなるような材料In1-t Ga
t As1-u u で構成されている。バンド・ギャップ波
長λhは、バンド・ギャップ波長λlよりも長いものと
する。
【0021】また、本発明の特徴として、2つの活性層
3−1,3−2は、上面と下面とがInP(n+ )基板
1に平行な一定層厚部13a,14aと、この一定層厚
部13a,14aに連なりそれぞれ先細りしたテーパ部
13b,14bとを有する。2つの活性層3−1,3−
2は、テーパ部13b,14bを互いに接し合うように
重ね合せて光結合されている。テーパ部13bは、In
P(n+ )基板1に平行な下面と、厚さがなくなるまで
傾斜した上面とを有し、テーパ部14bは、基板1に平
行な上面と、厚さがなくなるまで傾斜した下面とを有
し、これらテーパ部13b,14bは、互いに基板1に
平行な面同士を合わせてある。
【0022】このようにバンド・ギャップ波長の異なる
2種類の活性層3−1,3−2をカスケードに構成し、
互いのテーパ部13b,14bを重ね合せることによ
り、両活性層3−1,3−2を光結合させてある。テー
パ部13b,14bを重ね合せた部分を結合領域15と
呼ぶことにする。
【0023】図1の構成により、広帯域半導体光増幅器
は、図2に示すような利得特性を得ることができる。即
ち、波長の長いバンド・ギャップ波長λhを中心とする
入射側活性層3−1による利得特性と、波長の短いバン
ド・ギャップ波長λlを中心とする出射側活性層3−2
による利得特性とを重ねて、広帯域にわたって平坦な利
得特性が得られる。
【0024】2つの活性層3−1,3−2のバンド・ギ
ャップ波長λh,λlを異ならせる方法として、材料I
1-x Gax As1-y y 及び材料In1-t Gat As
1-uu のx,y,t,uの値を異ならせる。即ち、共
通の組成成分を有するがエネルギ・ギャップが異なる材
料で2つの活性層3−1,3−2を構成する。すなわ
ち、In1-x Gax As1-y y (In1-t Gat As
1-u u )のバンド・ギャップ(エネルギ・ギャップ)
Egと組成x(t),y(u)の間には Eg=1.35+0.672x(t)−1.091y
(u)+0.758x2 (t2 )+0.101y2 (u
2 )+0.111x(t)y(u)−0.580x
2 (t2 )y(u)−0.159x(t)y2 (u2
+0.268x2 (t2 )y2 (u2 ) の関係があり、またバンド・ギャップEgが小さい程、
バンド・ギャップ波長λgは大きくなることが知られて
いる。したがって、上記関係より、バンド・ギャップ波
長λh,λlを設定し、これからエネルギ・ギャップE
gが決まり、このEgが決まれば、x,y,t,uの値
を定めることができる。
【0025】また、バンド・ギャップ波長λh,λlを
異ならせる方法として、材料の組成比を異ならせるよう
にしてもよい。即ち、2つの活性層3−1,3−2のI
1-x Gax As1-y y ,In1-t Gat As1-u
u の4元素の組成をx=1,t=1としてInGaAs
1-y y ,InGaAs1-u u の3元素組成としても
よい。
【0026】テーパ部13b,14bを重ね合せて構成
した結合領域15は、活性層3−1内に入射して伝搬す
る信号光10が、活性層3−2に効率良く光結合して伝
搬して増幅された信号光11として出射されるように設
けたものである。逆に、無反射コーティング層8−2の
側から信号光を入射させて無反射コーティング層8−1
の側から増幅された信号光を出射するようにしてもよ
く、この場合でも、結合領域15により効率良く光結合
させることができる。
【0027】InP(n)クラッド層2は、下面がIn
P(n+ )基板1に接し、上面が活性層3−1(一定層
厚部13a)、テーパ部14b、活性層3−2(一定層
厚部14a)に接するため層厚が変化している。InP
(p)クラッド層4は、下面が活性層3−1(一定層厚
部13a)、テーパ部13b、活性層3−2(一定層厚
部14a)に接し、上面がInGaAsPコンタクト層
5に接するが、上面も下面も活性層3に倣って変化し、
層厚は一定である。InGaAsPコンタクト層5及び
上部電極6も、それぞれ、層厚は一定である。なお、I
nP(p)クラッド層4の上面をInP(n+ )基板1
と平行に形成しても良い。
【0028】次に、本発明の広帯域半導体光増幅器の他
の実施形態を説明する。
【0029】図3に広帯域半導体光増幅器の活性層3の
水平断面を示す。図3(a)の実施形態では、光の入射
端から出射端まで活性層3の幅は一定である。図3
(b)、図3(c)の実施形態では、結合領域15にお
いて活性層3の幅が中央で括れるように両テーパ状に形
成されている。この活性層3の幅を狭めた部分を幅狭め
領域16と呼ぶことにする。このように幅狭め領域16
を設けることによって、結合領域15での光の閉じ込め
を弱くし、これによって入射側活性層3−1から出射側
活性層3−2への結合効果を高めることができる。
【0030】また、図3(b)、図3(c)の実施形態
では、活性層3の入射端と出射端とに、活性層3が途切
れた形のいわゆる窓領域17−1,17−2が設けられ
ている。窓領域17−1,17−2は、活性層3を水平
方向に挟むクラッド層17と同じ材料でクラッド層17
と連続一体的に形成されている。窓領域17−1,17
−2を設けることによって、入射光の偏波方向によらず
安定でしかも帯域の広い利得特性を実現することができ
る。
【0031】なお、図3(b)の広帯域半導体光増幅器
は、各活性層3−1,3−2の幅が窓領域17−1,1
7−2に向かって細くなるようテーパ状に形成されてい
る。このようなデーパ状構造によって活性層内を伝搬す
る信号の光ビームスポット径を大きくし、入出射端面に
配置される光ファイバとの光結合効率を向上させること
ができる。これに対し、図3(c)の広帯域半導体光増
幅器は、各活性層3−1,3−2の幅が幅狭め領域16
以外は一定に形成されている。
【0032】なお、活性層3−1の一定層厚部13aの
層厚と活性層3−2の一定層厚部14aの層厚とは、互
いに等しいか近似させた値にするのが好ましい。という
のは、これらの層厚が互いに異なると、図2に示した、
活性層3−1,3−2の利得の波長特性の利得値が相違
したり、波長特性が非対称になったりして、結果的にト
ータルの利得波長特性の平坦性が得にくくなるからであ
る。
【0033】図4に示した広帯域半導体光増幅器の別の
実施形態では、2つの活性層3−1,3−2の中間部分
(結合領域15)の上部に電極分離溝18を設けること
により、上部電極6が2つに分離されている。入射側活
性層3−1の上部に分離される上部電極6−1には端子
9−1より電流Ik1 を注入し、これとは独立に、出射
側活性層3−2の上部に分離される上部電極6−2には
端子9−2より電流Ik2 を注入する。これにより、広
帯域半導体光増幅器は、第一増幅部19と第二増幅部2
0とを有することになる。それぞれの注入電流Ik1
Ik2 を独立に調節することにより、トータルの利得波
長特性を広帯域に亘って平坦にさせることができる。
【0034】図5に示した広帯域半導体光増幅器の別の
実施形態では、2つの電極分離溝18−1,18−2を
設けることにより、上部電極6が3つに分離されてい
る。電極分離溝18−1は結合領域15の上部に設けら
れ、電極分離溝18−1よりも入射端側の上部電極6
は、図4と同様、入射側活性層3−1の上部に分離され
る上部電極6−1である。電極分離溝18−2は、出射
側活性層の上部に設けられ、電極分離溝18−2よりも
結合領域15側の上部電極6は上部電極6−2、電極分
離溝18−2よりも出射端側の上部電極6は上部電極6
−3である。これにより、広帯域半導体光増幅器は、第
一増幅部19と第二増幅部20と可飽和吸収部21とを
有することになる。可飽和吸収部21の上部電極6−3
には、端子9−3より逆方向電圧−Vkを印加する。可
飽和吸収部21は、増幅された信号光に含まれる雑音、
特に自然放出光による雑音を低減する役目を担う。この
雑音低減量は逆方向電圧−Vkの値によって制御するこ
とができる。即ち、Vkの値を大きくすることによっ
て、雑音成分をより強く吸収させて減少させることがで
きる。この構成は、図1、図4の構成に比し、利得の
値、利得の波長特性及び雑音特性のそれぞれに対し制御
性がある(制御できる範囲が広い、制御がしやすい)。
【0035】図1、図3、図4及び図5において、活性
層3にはバルク構造、量子井戸構造又は歪量子井戸構造
のいずれを用いてもよい。活性層3に歪量子井戸構造を
用いると、利得の偏波依存性を低く抑えることができ
る。
【0036】また、2つの活性層3−1,3−2間に障
壁層を設けてもよい。障壁層を設けると広帯域化と低偏
波依存化を促進できることとが知られていが、2つの活
性層3−1,3−2間に障壁層を挿入することによっ
て、さらに広帯域化と低偏波依存化とを実現することが
できる。
【0037】本発明は、ここまでの実施形態に限定され
ない。例えば、図6に示されるように、入射側活性層3
−1の下面及び出射側活性層3−2の上面に、InGa
AsP光導波路22−1,22−2を設け、かつこれら
導波路22−1,22−2の屈折率を各活性層3−1,
3−2の屈折率よりも低い値に設定しておくようにして
もよい。このような構成にすると、各活性層3−1,3
−2の結晶成長が容易となる。また、入射側活性層3−
1から出射側活性層3−2への光の伝搬を効率良く行わ
せることができる。
【0038】図1、図3、図4、図5及び図6の構成に
おいて、広帯域半導体光増幅器の入射端と出射端とにス
ポットサイズ変換用の光導波部を設けてもよい。スポッ
トサイズ変換用の光導波部は、光導波路のコア断面積を
目的のスポットサイズになるように徐々に変化させたも
のであり、例えば、広帯域半導体光増幅器の活性層3の
層厚と同じ厚さのコアを入出射用の光ファイバのスポッ
トサイズに近づくように徐々に小さく変化させてある。
このようにすると、光導波部と光ファイバとの光結合が
効率よく、かつ光導波部と広帯域半導体光増幅器との光
結合が効率よくなるので、光ファイバと広帯域半導体光
増幅器との光結合が効率よくなる。
【0039】
【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。
【0040】(1)活性層を2つの活性層に分割し光の
伝搬方向に並べることにより、波長帯の異なる2つの光
増幅部をカスケード状につなぐことができ、しかも、こ
の2つの光増幅部は一体化されているので、今までにな
い超広帯域半導体光増幅器を実現することができる。
【0041】(2)製造については従来技術を用いて行
うことができるので、低コスト化を期待できる。
【0042】(3)上部電極を分離することにより、2
つの光増幅部をそれぞれ独立に制御できるので、平坦な
利得特性を得ることができる。
【0043】(4)2つの活性層が両者のテーパ部の重
ね合せによる非常に効率のよい結合領域で結合され、し
かも結合領域からの反射光は生じない構造であるので、
安定な光増幅器を実現することができる。
【0044】(5)可飽和吸収部を構成することによ
り、広帯域特性の他に低雑音特性も得ることができるの
で、ブースター光増幅器、前置光増幅器、中継用光増幅
器等に利用することができ、さらに、光受動部品の損失
補償用光増幅器等に利用することができる。
【0045】(6)活性層の入出射端に窓領域を設ける
ことにより、偏波依存性の極めて小さい光増幅器を実現
することができる。また、活性層としてバルク構造以外
に、量子井戸構造又は歪量子井戸構造を用いることがで
きるので、低偏波依存性の光増幅器を実現することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す広帯域半導体光増幅
器の光の伝搬方向に沿った垂直断面図である。
【図2】本発明の広帯域半導体光増幅器の利得波長特性
図である。
【図3】本発明の他の実施形態を示す広帯域半導体光増
幅器の水平断面図である。
【図4】本発明の他の実施形態を示す広帯域半導体光増
幅器の光の伝搬方向に沿った垂直断面図である。
【図5】本発明の他の実施形態を示す広帯域半導体光増
幅器の光の伝搬方向に沿った垂直断面図である。
【図6】本発明の他の実施形態を示す広帯域半導体光増
幅器の光の伝搬方向に沿った垂直断面図である。
【図7】従来の半導体光増幅器の光の伝搬方向に沿った
垂直断面図である。
【図8】従来の半導体光増幅器の光の伝搬方向に直交す
る垂直断面図である。
【符号の説明】
1 InP(n+ )基板 2 InP(n)クラッド層(下部クラッド層) 3 活性層 3−1 入射側活性層 3−2 出射側活性層 4 InP(p)クラッド層(上部クラッド層) 5 InGaAsPコンタクト層 6、6−1、6−2 上部電極 7 下部電極 8−1、8−2 無反射コーティング層 13a、14a 一定層厚部 13b、14b テーパ部 15 結合領域 16 幅狭め領域 17−1、17−2 窓領域 18、18−1、18−2 電極分離溝

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に下部クラッド層、活性層及び上
    部クラッド層を積層し、この上部クラッド層上に上部電
    極を装荷し、前記基板下に下部電極を装荷し、前記上部
    電極より前記活性層に電流を注入することにより、前記
    活性層中を伝搬する光が増幅されるようにした半導体光
    増幅器において、前記活性層を光の伝搬方向に並ぶ2つ
    の活性層に分割し、これら2つの活性層を組成成分が互
    いに共通でエネルギ・ギャップが互いに異なる材料で構
    成し、光の入射側の活性層には光の伝搬方向に層厚が減
    ずるテーパ部を形成し、光の出射側の活性層には光の伝
    搬方向とは逆方向に層厚が減ずるテーパ部を形成し、こ
    れらテーパ部を重ね合せることにより前記2つの活性層
    を光結合させたことを特徴とする広帯域半導体光増幅
    器。
  2. 【請求項2】 前記2つの活性層は前記テーパ部に連続
    する一定層厚部を有し、これら2つの一定層厚部は層厚
    が互いに等しいか近似することを特徴とする請求項1記
    載の広帯域半導体光増幅器。
  3. 【請求項3】 前記2つの活性層の組成成分の組成比を
    互いに異ならせることによりエネルギ・ギャップを互い
    に異ならせたことを特徴とする請求項1又は2記載の広
    帯域半導体光増幅器。
  4. 【請求項4】 前記上部電極を前記2つの活性層の中間
    部分の上部で分離し、分離されたそれぞれの上部電極よ
    り独立に電流を注入するようにしたことを特徴とする請
    求項1〜3いずれか記載の広帯域半導体光増幅器。
  5. 【請求項5】 前記上部電極を前記出射側活性層の上部
    で分離し、出射端に近いほうに分離された上部電極に逆
    方向電圧を印加することにより、前記出射側活性層の出
    射端側を可飽和吸収部としたことを特徴とする請求項1
    〜4いずれか記載の広帯域半導体光増幅器。
  6. 【請求項6】 前記活性層の入出射端に窓領域を設けた
    ことを特徴とする請求項1〜5いずれか記載の広帯域半
    導体光増幅器。
  7. 【請求項7】 前記活性層をバルク構造、量子井戸構造
    又は歪量子井戸構造としたことを特徴とする請求項1〜
    6いずれか記載の広帯域半導体光増幅器。
  8. 【請求項8】 前記2つの活性層間に障壁層を設けたこ
    とを特徴とする請求項1〜7いずれか記載の広帯域半導
    体光増幅器。
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