JP2005236254A - Semiconductor optical amplifier - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体光増幅器に関し、特に、波長分割多重(WDM:Wavelength Division Multiplexing)を利用した光伝送システムに適用して好適なものである。 The present invention relates to a semiconductor optical amplifier, and in particular, is suitable for application to an optical transmission system using wavelength division multiplexing (WDM).
従来、複数の異なる波長の光信号を伝送する光伝送システムとして、複数の異なる波長の光信号を1本の光ファイバに結合して伝送する波長多重を利用した光伝送システム(WDMシステム)がある。
このWDMシステムでは、波長に応じて光信号を合流・分岐するWDM合分波回路、全ての波長の光を一括して合流・分岐する合分岐回路、特定の波長を抜き出し、あるいは挿入するアドドロップマルチプレクサ(Add−drop multiplexer、ADM)等の光素子が使用され、光信号がこれらの光素子を通過する際に生じる強度損失のため、信号強度が劣化する。
2. Description of the Related Art Conventionally, as an optical transmission system that transmits a plurality of optical signals having different wavelengths, there is an optical transmission system (WDM system) that uses wavelength multiplexing to transmit a plurality of optical signals having different wavelengths by combining them with one optical fiber. .
In this WDM system, a WDM multiplexing / demultiplexing circuit that merges and branches optical signals according to wavelength, a multiplexing / branching circuit that merges and branches light of all wavelengths at once, and an add / drop that extracts or inserts a specific wavelength An optical element such as a multiplexer (Add-drop multiplexer, ADM) is used, and the signal strength is deteriorated due to an intensity loss caused when an optical signal passes through these optical elements.
このため、WDMシステムでは、光ファイバを伝送する光信号を光のまま増幅する光増幅素子が必要不可欠となっている。
図7(a)は、従来の半導体光増幅器を光導波方向に沿って切断した断面図、図7(b)は、図7(a)のA−A´線で切断した断面図を示し、従来の半導体光増幅器(Semiconductor Optical Amplifier:SOA)の例として、n−InP基板101を用いた場合の構造を示す。
For this reason, in a WDM system, an optical amplifying element that amplifies an optical signal transmitted through an optical fiber as light is indispensable.
7A is a cross-sectional view of a conventional semiconductor optical amplifier cut along the optical waveguide direction, FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. As an example of a conventional semiconductor optical amplifier (SOA), a structure using an n-
図7において、n−InP基板101上には、利得媒質であるGaInAsP活性層102がストライプ状に形成され、GaInAsP活性層102は、p−InP層103およびn−InP層104により埋め込まれている。
そして、GaInAsP活性層102およびn−InP層104上には、p−InP層105が形成され、p−InP層105上にはp−GaInAsコンタクト層106が形成されている。また、p−GaInAsコンタクト層106上にはp側電極107が形成され、n−InP基板101の裏面にはn側電極108が形成されている。
In FIG. 7, a GaInAsP
A p-
図8は、図7の半導体光増幅器の飽和特性を示す図である。
図8において、入力光強度が小さい場合、入力光強度が増加しても利得はほぼ一定であるが、入力光強度がある値を超えると、利得は急激に減少する。ここで、WDMシステムでは、光信号として波長多重信号が入射され、その波長多重数は、アドドロップマルチプレクサ等を通過する毎に変動する。
FIG. 8 is a diagram showing saturation characteristics of the semiconductor optical amplifier of FIG.
In FIG. 8, when the input light intensity is small, the gain is almost constant even when the input light intensity increases. However, when the input light intensity exceeds a certain value, the gain decreases rapidly. Here, in the WDM system, a wavelength multiplexed signal is incident as an optical signal, and the number of wavelength multiplexed signals varies every time it passes through an add drop multiplexer or the like.
今、波長多重数mの光信号が半導体光増幅器に入射したとものする。この場合、半導体光増幅器の入射光強度がm波合計でP1(dBm)になると、半導体光増幅器の利得はG1(dBm)になる。
ここで、アドドロップマルチプレクサにより光信号が追加されて、波長多重数がnに増加したとする。この場合、半導体光増幅器の入射光強度がn波合計でP2(dBm)になると、半導体光増幅器の利得はG2(dB)になる。
It is assumed that an optical signal having a wavelength multiplexing number m is incident on the semiconductor optical amplifier. In this case, when the incident light intensity of the semiconductor optical amplifier is P 1 (dBm) in the total of m waves, the gain of the semiconductor optical amplifier is G 1 (dBm).
Here, it is assumed that an optical signal is added by the add / drop multiplexer and the wavelength multiplexing number is increased to n. In this case, when the incident light intensity of the semiconductor optical amplifier is P 2 (dBm) in total for n waves, the gain of the semiconductor optical amplifier is G 2 (dB).
このように、図4の半導体光増幅器をWDMシステムに用いた場合、波長多重数により入射光強度が異なるようになるため、光信号の利得が変動する。このため、従来の光増幅器では、特許文献1に開示されているように、波長多重数により光信号の利得が変動することを防止するため、発振作用を利用することで利得をある一定値にクランプする方法を用いたものがあった。
As described above, when the semiconductor optical amplifier of FIG. 4 is used in a WDM system, the incident light intensity varies depending on the number of wavelength multiplexing, and thus the gain of the optical signal varies. For this reason, in the conventional optical amplifier, as disclosed in
図9(a)は、従来の半導体光増幅器を光導波方向に沿って切断した断面図、図9(b)は、図9(a)のC−C´線で切断した断面図である。
図9において、n−InP基板201上には、利得媒質であるGaInAsP活性層202がストライプ状に形成され、GaInAsP活性層202は、p−InP層203およびn−InP層204により埋め込まれている。
9A is a cross-sectional view of a conventional semiconductor optical amplifier cut along the optical waveguide direction, and FIG. 9B is a cross-sectional view taken along the line CC ′ of FIG. 9A.
In FIG. 9, a GaInAsP
ここで、GaInAsP活性層202の下面には、GaInAsP分離閉じ込め(SCH)層209が形成されるとともに、GaInAsP活性層202の上面には、GaInAsP分離閉じ込め(SCH)層210が形成され、GaInAsP分離閉じ込め層210にはグレーティングが形成されている。そして、GaInAsP分離閉じ込め層210およびn−InP層204上には、p−InP層205が形成され、p−InP層205上にはp−GaInAsコンタクト層206が形成されている。また、p−GaInAsコンタクト層206上にはp側電極207が形成され、n−InP基板201の裏面にはn側電極208が形成されている。
Here, a GaInAsP isolation and confinement (SCH)
図9の半導体光増幅器では、GaInAsP分離閉じ込め層210に形成されているグレーティングにより光信号が反射されるため正帰還がかかり、DFBレーザのように発振させることができる。ただし、グレーティングの結合係数は通常のDFBレーザよりも小さくなっており、発振しきい値は高くなっている。
図9の半導体光増幅器のレーザ発振状態では、利得媒質でのキャリア密度は一定値にクランプされるが、発振しきい値が高いため、キャリア密度は通常のDFBレーザよりも高い値にクランプされる。
In the semiconductor optical amplifier of FIG. 9, since an optical signal is reflected by the grating formed in the GaInAsP
In the laser oscillation state of the semiconductor optical amplifier of FIG. 9, the carrier density in the gain medium is clamped to a constant value. However, since the oscillation threshold is high, the carrier density is clamped to a value higher than that of a normal DFB laser. .
このため、図8のグレーティングを有するDFB型半導体光増幅器では、発振が生じている限り、その利得媒質(GaInAsP活性層202)のキャリア密度は一定となり、利得は利得媒質のキャリア密度に比例するため、利得を一定値にクランプさせることができる。
従って、上述した発振状態では、半導体光増幅器に注入する電流値を増加させても、発振光の光強度が増大するだけで、半導体光増幅器の利得を一定に保つことができる。そして、入力信号光強度が大きくなった場合、発振光強度が減少して、半導体光増幅器内部でのトータルの光強度が一定に保たれるため、半導体光増幅器のキャリア密度に変動が生じることがなく、半導体光増幅器の利得を一定に保つことができる。
For this reason, in the DFB type semiconductor optical amplifier having the grating of FIG. 8, as long as oscillation occurs, the carrier density of the gain medium (GaInAsP active layer 202) is constant, and the gain is proportional to the carrier density of the gain medium. The gain can be clamped to a constant value.
Therefore, in the oscillation state described above, even if the current value injected into the semiconductor optical amplifier is increased, the gain of the semiconductor optical amplifier can be kept constant only by increasing the light intensity of the oscillation light. When the input signal light intensity increases, the oscillation light intensity decreases and the total light intensity inside the semiconductor optical amplifier is kept constant, so that the carrier density of the semiconductor optical amplifier may vary. Therefore, the gain of the semiconductor optical amplifier can be kept constant.
図10は、図9の半導体光増幅器の飽和特性を示す図である。
図10において、図9の半導体光増幅器では、外部から入射された信号光の入力光強度が変動しても、利得は一定値Goに保たれる。すなわち、信号光の波長多重数がmからnに変化し、合計入力パワーがP1からP2に変化した場合においても、利得はGoで一定値となる。
また、図9の半導体光増幅器では、外部からの入射光強度がさらに増大し、発振が抑圧された場合に限り、利得が低下する。逆に、図9の半導体光増幅器で発振が生じている限り、入射光強度あるいは入射信号の波長多重数によらず、利得を一定に保つことができる。
FIG. 10 is a diagram showing saturation characteristics of the semiconductor optical amplifier of FIG.
10, in the semiconductor optical amplifier of FIG. 9, even if the input light intensity of signal light incident from the outside fluctuates, the gain is maintained at a constant value Go. That is, even when the wavelength multiplexing number of the signal light is changed from m to n and the total input power is changed from P 1 to P 2 , the gain is a constant value of Go.
Further, in the semiconductor optical amplifier of FIG. 9, the gain decreases only when the intensity of incident light from the outside further increases and the oscillation is suppressed. On the contrary, as long as oscillation occurs in the semiconductor optical amplifier of FIG. 9, the gain can be kept constant regardless of the incident light intensity or the number of multiplexed wavelengths of the incident signal.
また、特許文献2には、対称マッハツェンダ干渉計の2本のアーム導波路に利得領域を挿入し、対称マッハツェンダ干渉計のクロスポートとなる入力ポートに光反射手段を設け、これらの利得領域および光反射手段とによりレーザ共振器が構成された光増幅装置が開示されている。この光増幅装置では、光反射手段が接続されたポートから信号光が入力される。そして、信号利得がレーザ発振しきい値状態にクランプされた利得領域において、入力信号光が増幅される。そして、増幅された信号光がレーザ発振光と分離され、互いに異なるポートから出力される。
しかしながら、図9のDFB型半導体光増幅器を用いた場合、発振光が信号光と同一光路に混入するため、この混入した発振光を除去するための波長フィルタが必要になるという問題があった。
さらに、図9のDFB型半導体光増幅器では、発振光強度が非常に強いため、入射信号強度が小さいと、通常の波長フィルタを用いた場合においても、信号光と同程度の強度で発振光が残留するという問題があった。
また、特許文献2に開示された方法では、増幅された信号光とレーザ発振光と分離するための光導波路などを設ける必要があり、素子サイズが大きくなるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、信号光の導波方向に発振光を混入させることなく、入力光強度による利得変動を抑えることが可能な半導体光増幅器を提供することである。
However, when the DFB type semiconductor optical amplifier of FIG. 9 is used, the oscillation light is mixed in the same optical path as the signal light, so that there is a problem that a wavelength filter for removing the mixed oscillation light is necessary.
Furthermore, since the DFB semiconductor optical amplifier of FIG. 9 has a very strong oscillation light intensity, if the incident signal intensity is small, the oscillation light can be emitted with the same intensity as the signal light even when a normal wavelength filter is used. There was a problem of remaining.
Further, the method disclosed in
Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor optical amplifier capable of suppressing gain fluctuations due to input light intensity without mixing oscillating light in the waveguide direction of signal light.
上述した課題を解決するために、請求項1記載の半導体光増幅器によれば、基板上に形成され、信号光を増幅する光導波路と、前記光導波路と交差するように配置され、前記基板に対して水平な方向で発振させる共振部とを備えることを特徴とする。
これにより、信号光の導波方向と異なる方向に発振光を導波させることを可能としつつ、共振部での発振作用により光導波路の利得をクランプさせることができる。このため、光導波路から出射される増幅光に発振光が混入することを防止しつつ、発振により利得がクランプされた利得媒質内で、入力信号光を増幅させることが可能となる。この結果、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となる。
In order to solve the above-described problem, according to a semiconductor optical amplifier according to
As a result, the gain of the optical waveguide can be clamped by the oscillating action at the resonance portion while allowing the oscillation light to be guided in a direction different from the direction in which the signal light is guided. For this reason, it is possible to amplify the input signal light in the gain medium whose gain is clamped by oscillation while preventing the oscillation light from being mixed into the amplified light emitted from the optical waveguide. As a result, it is possible to eliminate the need for a wavelength filter or an optical waveguide for separating the signal light and the oscillation light, and it is possible to suppress a gain variation due to the input light intensity while suppressing an increase in element size.
また、請求項2記載の半導体光増幅器によれば、基板上に形成され、信号光を増幅する光導波路と、前記光導波路と交差するように配置され、前記基板に対して水平な方向で発振させる共振部と、前記基板上に形成され、前記光導波路と並列に配置された活性領域とを備えることを特徴とする。
これにより、信号光の導波方向と異なる方向に発振光を導波させることを可能としつつ、共振部で生じる発振のしきい値電流密度を制御することができる。従って、共振部で発振を生じさせながら、光導波路のキャリア密度を制御することが可能となり、光導波路の利得を制御することを可能としつつ、光導波路の利得をクランプさせることができる。このため、光導波路から出射される増幅光に発振光が混入することを防止しつつ、発振により利得がクランプされた利得媒質内で、入力信号光を所望の値に増幅させることが可能となる。この結果、利得を調整することを可能としつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となるとともに、素子サイズの増大を抑制することを可能として、波長多重光伝送システムの大型化を抑制することが可能となる。
According to another aspect of the semiconductor optical amplifier of the present invention, the optical waveguide is formed on the substrate and amplifies the signal light, and is arranged so as to intersect the optical waveguide, and oscillates in a direction horizontal to the substrate. And an active region formed on the substrate and arranged in parallel with the optical waveguide.
Accordingly, it is possible to control the threshold current density of oscillation generated in the resonance portion while allowing the oscillation light to be guided in a direction different from the waveguide direction of the signal light. Therefore, it is possible to control the carrier density of the optical waveguide while causing oscillation in the resonance part, and it is possible to clamp the gain of the optical waveguide while allowing the gain of the optical waveguide to be controlled. Therefore, it is possible to amplify the input signal light to a desired value within the gain medium whose gain is clamped by oscillation while preventing the oscillation light from being mixed into the amplified light emitted from the optical waveguide. . As a result, while making it possible to adjust the gain, it is possible to suppress fluctuations in gain due to the input light intensity, and it is possible to suppress an increase in element size, thereby suppressing an increase in the size of the wavelength multiplexing optical transmission system. It becomes possible to do.
また、請求項3記載の半導体光増幅器によれば、前記活性領域は、それぞれ独立して電流注入可能な複数の領域に分離されていることを特徴とする。
これにより、光導波路の部位に応じて利得を異ならせることが可能となり、微妙な利得調整を行うことができる。
また、請求項4記載の半導体光増幅器によれば、前記分離された領域の体積が異なることを特徴とする。
これにより、活性領域に注入される電流値を光導波路の部位に応じて異ならせることが可能となり、活性領域に電流を注入することにより、微妙な利得調整を行うことができる。
According to another aspect of the semiconductor optical amplifier of the present invention, the active region is separated into a plurality of regions where current can be injected independently.
As a result, the gain can be varied according to the portion of the optical waveguide, and fine gain adjustment can be performed.
According to another aspect of the semiconductor optical amplifier of the present invention, the separated regions have different volumes.
This makes it possible to vary the current value injected into the active region according to the portion of the optical waveguide, and fine gain adjustment can be performed by injecting current into the active region.
また、請求項5記載の半導体光増幅器によれば、前記活性領域は、前記信号光の光導波方向に沿った端部に電流が注入されないように構成された吸収領域を備えることを特徴とする。
これにより、本来発振させたい信号光の導波方向と直交する方向で発振する前に、信号光の導波方向と並行する方向に活性領域が発振することを防止することができ、信号光の導波方向と直交する方向の利得を効果的に補助することが可能となる。
According to another aspect of the semiconductor optical amplifier of the present invention, the active region includes an absorption region configured to prevent current from being injected into an end portion along the optical waveguide direction of the signal light. .
As a result, it is possible to prevent the active region from oscillating in a direction parallel to the waveguide direction of the signal light before oscillating in the direction orthogonal to the waveguide direction of the signal light to be originally oscillated. It is possible to effectively assist the gain in the direction orthogonal to the waveguide direction.
また、請求項6記載の半導体光増幅器によれば、前記共振部は、前記光導波路の両側に配置された電流ブロック層を備えることを特徴とする。
これにより、光導波路に注入される電流を電流ブロック層にてブロックすることを可能としつつ、信号光の導波方向と直交する方向で発振を起こさせることが可能となる。このため、光導波路に電流を効率よく注入することを可能としつつ、光導波路の利得をクランプさせることが可能となるとともに、光導波路から出射される増幅光に発振光が混入することを防止することが可能となり、素子サイズの増大を抑制しつつ、半導体光増幅器の利得を一定に保つことができる
According to another aspect of the semiconductor optical amplifier of the present invention, the resonating unit includes current blocking layers disposed on both sides of the optical waveguide.
As a result, it is possible to cause oscillation in a direction perpendicular to the waveguide direction of the signal light while allowing the current injected into the optical waveguide to be blocked by the current blocking layer. For this reason, it is possible to clamp the gain of the optical waveguide while efficiently injecting current into the optical waveguide, and to prevent the oscillation light from being mixed into the amplified light emitted from the optical waveguide. It is possible to keep the gain of the semiconductor optical amplifier constant while suppressing the increase in element size.
また、請求項7記載の半導体光増幅器によれば、前記電流ブロック層は、屈折率の高い層が屈折率の低い層で挟まれた積層構造を備えることを特徴とする。
これにより、信号光の導波方向と直交する方向にスラブ導波路を形成することが可能となり、信号光の導波方向と直交する方向での導波損失を抑制することができる。このため、光導波路から出射される増幅光に発振光が混入することを防止しつつ、信号光の導波方向と直交する方向で容易に発振を起こさせることが可能となり、素子サイズの増大を抑制しつつ、半導体光増幅器の利得を一定に保つことができる。
According to another aspect of the semiconductor optical amplifier of the present invention, the current blocking layer has a laminated structure in which a layer having a high refractive index is sandwiched between layers having a low refractive index.
Thereby, it becomes possible to form a slab waveguide in a direction orthogonal to the waveguide direction of the signal light, and to suppress a waveguide loss in a direction orthogonal to the waveguide direction of the signal light. Therefore, it is possible to easily cause oscillation in the direction orthogonal to the waveguide direction of the signal light while preventing the oscillation light from being mixed into the amplified light emitted from the optical waveguide, thereby increasing the element size. The gain of the semiconductor optical amplifier can be kept constant while suppressing.
また、請求項8記載の半導体光増幅器によれば、前記光導波路は、前記基板上に形成された活性層と、前記活性層上に形成されたクラッド層とを備え、前記電流ブロック層に設けられた屈折率の高い層のバンドギャップは、前記活性層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする。
これにより、活性層を光が導波する場合に比べて、電流ブロック層を光が導波する場合の吸収損失を抑えることが可能となり、信号光の導波方向と直交する方向での吸収損失を抑制することができる。このため、光導波路から出射される増幅光に発振光が混入することを防止しつつ、信号光の導波方向と直交する方向で容易に発振を起こさせることが可能となり、素子サイズの増大を抑制しつつ、半導体光増幅器の利得を一定に保つことが可能となるとともに、素子サイズの増大を抑制することができる。
The semiconductor optical amplifier according to claim 8, wherein the optical waveguide includes an active layer formed on the substrate and a clad layer formed on the active layer, and is provided in the current blocking layer. The band gap of the high refractive index layer is larger than the band gap of the active layer.
This makes it possible to suppress the absorption loss when light is guided through the current blocking layer, compared with the case where light is guided through the active layer, and the absorption loss in the direction orthogonal to the signal light guiding direction. Can be suppressed. Therefore, it is possible to easily cause oscillation in the direction orthogonal to the waveguide direction of the signal light while preventing the oscillation light from being mixed into the amplified light emitted from the optical waveguide, thereby increasing the element size. While suppressing, it becomes possible to keep the gain of the semiconductor optical amplifier constant, and it is possible to suppress an increase in element size.
また、請求項9記載の半導体光増幅器によれば、前記電流ブロック層は、前記光導波路と直交する方向に光を反射させる回折格子を備えることを特徴とする。
これにより、素子の切り出し後に共振部に高反射膜を形成することなく、信号光の導波方向と直交する方向に光を反射させることが可能となり、製造プロセスの煩雑化を抑制しつつ、信号光の導波方向と直交する方向で発振を起こさせることが可能となる。
According to another aspect of the semiconductor optical amplifier of the present invention, the current blocking layer includes a diffraction grating that reflects light in a direction orthogonal to the optical waveguide.
This makes it possible to reflect light in a direction orthogonal to the waveguide direction of the signal light without forming a highly reflective film on the resonance part after the element is cut out, while suppressing complication of the manufacturing process. Oscillation can be caused in a direction orthogonal to the light guiding direction.
また、請求項10記載の半導体光増幅器によれば、前記回折格子は、前記光導波路と直交する方向に配列され、前記電流ブロック層の屈折率の高い層と屈折率が異なる埋め込み層を備えることを特徴とする。
これにより、フォトリソグラフィ技術およびエッチング加工技術を用いることにより、電流ブロック層に回折格子を形成することが可能となり、製造プロセスの煩雑化を抑制しつつ、半導体光増幅器の利得を一定に保つことが可能となるとともに、素子サイズの増大を抑制することができる。
According to another aspect of the semiconductor optical amplifier of the present invention, the diffraction grating includes a buried layer that is arranged in a direction orthogonal to the optical waveguide and has a refractive index different from that of the current blocking layer having a high refractive index. It is characterized by.
As a result, a diffraction grating can be formed in the current blocking layer by using photolithography technology and etching processing technology, and the gain of the semiconductor optical amplifier can be kept constant while suppressing the complexity of the manufacturing process. It becomes possible, and an increase in element size can be suppressed.
また、請求項11記載の半導体光増幅器によれば、基板上に形成され、信号光を増幅する活性層が設けられた光導波路と、前記光導波路から続いている活性層に形成され、前記光導波路と直行するように光を反射させる回折格子とを備えることを特徴とする。
これにより、回折格子が形成された領域にも利得を持たせることができ、信号光の導波方向と異なる方向で発振を容易に起こさせることができる。このため、信号光の波長多重数などの変化などにより信号光強度が変動した場合においても、活性層のキャリア密度を一定に保つことができ、半導体光増幅器の利得を一定値にクランプさせることが可能となる。
The semiconductor optical amplifier according to claim 11 is formed on an optical waveguide formed on a substrate and provided with an active layer for amplifying signal light, and an active layer continuing from the optical waveguide, And a diffraction grating that reflects light so as to be orthogonal to the waveguide.
Thereby, a gain can be given to the region where the diffraction grating is formed, and oscillation can be easily caused in a direction different from the waveguide direction of the signal light. For this reason, even when the signal light intensity fluctuates due to changes in the number of multiplexed signal lights, the carrier density of the active layer can be kept constant, and the gain of the semiconductor optical amplifier can be clamped to a constant value. It becomes possible.
また、請求項12記載の半導体光増幅器によれば、基板上に形成され、信号光を増幅する光導波路と、前記基板上に形成され、前記光導波路と並列に配置された活性領域と、前記活性領域に形成され、前記光導波路と交差するように光を反射させる回折格子とを備えることを特徴とする。
これにより、回折格子が形成された領域にも利得を持たせることができ、信号光の導波方向と異なる方向で発振を容易に起こさせることができる。このため、信号光の波長多重数などの変化などにより信号光強度が変動した場合においても、活性層のキャリア密度を一定に保つことができ、半導体光増幅器の利得を一定値にクランプさせることが可能となる。
According to another aspect of the semiconductor optical amplifier of the present invention, an optical waveguide formed on the substrate for amplifying signal light, an active region formed on the substrate and arranged in parallel with the optical waveguide, And a diffraction grating which is formed in the active region and reflects light so as to intersect the optical waveguide.
Thereby, a gain can be given to the region where the diffraction grating is formed, and oscillation can be easily caused in a direction different from the waveguide direction of the signal light. For this reason, even when the signal light intensity fluctuates due to changes in the number of multiplexed signal lights, the carrier density of the active layer can be kept constant, and the gain of the semiconductor optical amplifier can be clamped to a constant value. It becomes possible.
また、請求項13記載の半導体光増幅器によれば、前記基板上に形成され、前記光導波路と前記活性領域とを分離する電流ブロック層をさらに備えることを特徴とする。
これにより、光導波路への電流注入と回折格子が形成された活性領域への電流注入とをそれぞれ別個に制御することが可能となる。このため、光導波路のキャリア密度の制御を精度よく行うことが可能となり、信号光の利得制御を精度よく行うことができる。
また、請求項14記載の半導体光増幅器によれば、前記回折格子の結合係数が100cm-1以上であることを特徴とする。
これにより、回折格子の反射率を高めることが可能となり、光導波路の幅が狭い場合においても、信号光の導波方向と直交する方向で発振を起こさせることが可能となる。
The semiconductor optical amplifier according to claim 13 further includes a current blocking layer formed on the substrate and separating the optical waveguide and the active region.
Thereby, current injection into the optical waveguide and current injection into the active region where the diffraction grating is formed can be controlled separately. Therefore, the carrier density of the optical waveguide can be controlled with high accuracy, and the gain control of the signal light can be performed with high accuracy.
The semiconductor optical amplifier according to claim 14 is characterized in that a coupling coefficient of the diffraction grating is 100 cm −1 or more.
Thereby, the reflectance of the diffraction grating can be increased, and even when the width of the optical waveguide is narrow, it is possible to cause oscillation in a direction orthogonal to the waveguide direction of the signal light.
以上説明したように、本発明によれば、光導波路に交差するように共振部を配置することにより、光導波路から出射される増幅光に発振光が混入することを防止しつつ、発振により利得がクランプされた利得媒質内で、入力信号光を増幅させることが可能となる。このため、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となる。 As described above, according to the present invention, by arranging the resonance portion so as to intersect the optical waveguide, it is possible to prevent the oscillation light from being mixed into the amplified light emitted from the optical waveguide, and to gain by the oscillation. It is possible to amplify the input signal light within the gain medium in which is clamped. For this reason, a wavelength filter or an optical waveguide for separating the signal light and the oscillation light can be dispensed with, and the gain fluctuation due to the input light intensity can be suppressed while suppressing an increase in the element size.
以下、本発明の実施形態に係る半導体光増幅器について図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す斜視図である。
図1において、n−InP基板501上には、GaInAsP活性層502がストライプ状に形成されている。そして、GaInAsP活性層502の両側は、n−InP基板501上に順次積層されたp−InP電流ブロック層503およびn−GaInAsP電流ブロック層504にて埋め込まれている。なお、n−GaInAsP電流ブロック層504のバンドギャップ波長はGaInAsP活性層502のバンドギャップ波長よりも短波、すなわち、n−GaInAsP電流ブロック層504のバンドギャップはGaInAsP活性層502のバンドギャップよりも大きくなるように設定することが好ましい。
Hereinafter, a semiconductor optical amplifier according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of the semiconductor optical amplifier according to the first embodiment of the present invention.
In FIG. 1, a GaInAsP
ここで、n−InP基板501とp−InPクラッド層505との間にGaInAsP活性層502を形成することにより、信号光を増幅する光導波路を構成することができる。また、p−InP電流ブロック層503およびn−GaInAsP電流ブロック層504にてGaInAsP活性層502の両側を埋め込むことにより、埋め込みヘテロ構造を構成することができる。
ここで、n−GaInAsP電流ブロック層504には、GaInAsP活性層502と直交する方向に光を反射させる回折格子が形成されている。すなわち、n−GaInAsP電流ブロック層504には、GaInAsP活性層502と直交する方向に所定間隔で配列されたn−InP埋め込み層510が形成されている。
Here, by forming the GaInAsP
Here, the n-GaInAsP
そして、GaInAsP活性層502およびn−GaInAsP電流ブロック層504上には、p−InPクラッド層505が形成され、p−InPクラッド層505上にはp−GaInAsコンタクト層506が形成されている。また、p−GaInAsコンタクト層506上にはp側電極507が形成され、n−InP基板501の裏面にはn側電極508が形成されている。ここで、p側電極507はGaInAsP活性層502の形状に対応してパターニングされるとともに、p側電極507にはボンディングパッド507aが接続されている。そして、p−GaInAsコンタクト層506上には、p側電極507およびボンディングパッド507aが露出するようにして、シリコン酸化膜などの絶縁膜509が形成されている。また、GaInAsP活性層502が設けられた光導波路の両端面には、反射防止膜(ARコート)が施されている。
A p-InP clad
なお、GaInAsP活性層502、p−InP電流ブロック層503、n−GaInAsP電流ブロック層504、p−InPクラッド層505およびp−GaInAsコンタクト層506をn−InP基板501上に形成する場合、例えば、MBE(molecular beam epitaxy)、MOCVD(metal organic chemical vaper deposition)、あるいはALCVD(atomic layer chemical vaper deposition)などのエピタキシャル成長を用いることができる。
In the case where the GaInAsP
そして、p側電極507に電圧を印加することにより、n−GaInAsP電流ブロック層504にて電流を狭窄させながら、GaInAsP活性層502に電流を注入することができる。そして、GaInAsP活性層502に電流が注入されると、GaInAsP活性層502にて発光させることができる。そして、GaInAsP活性層502にて生成された光は、GaInAsP活性層502の両側のn−GaInAsP電流ブロック層504にて反射され、GaInAsP活性層502と直交する方向にレーザ発振を起こさせることができる。そして、GaInAsP活性層502と直交する方向にレーザ発振が起こると、GaInAsP活性層502に入射された信号光強度が変動した場合においても、GaInAsP活性層502のキャリア密度を一定に保つことができ、半導体光増幅器の利得を一定値にクランプさせることができる。
Then, by applying a voltage to the p-
そして、GaInAsP活性層502に信号光を入射させると、GaInAsP活性層502を導波しながら信号光が増幅され、信号光の入射面と反対側から増幅光を出射させることができる。
これにより、信号光の導波方向と異なる方向で発振を起こさせることを可能としつつ、GaInAsP活性層502の利得をクランプさせることができる。このため、GaInAsP活性層502から出射される増幅光に発振光が混入することを防止しつつ、利得がクランプされたGaInAsP活性層502内で、入力信号光を増幅させることが可能となる。この結果、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となる。
When the signal light is incident on the GaInAsP
As a result, the gain of the GaInAsP
ここで、n−GaInAsP電流ブロック層504はp−InP電流ブロック層503およびp−InPクラッド層505よりも屈折率が高い。このため、p−InP電流ブロック層503とp−InPクラッド層505との間にn−GaInAsP電流ブロック層504を挟み込むことにより、n−GaInAsP電流ブロック層504をコア層とし、p−InP電流ブロック層503およびp−InPクラッド層505をクラッド層とするスラブ導波路を、GaInAsP活性層502の両側に形成することが可能となる。
Here, the n-GaInAsP
このため、n−GaInAsP電流ブロック層504における導波損失を抑制することが可能となり、信号光の導波方向と直交する方向での導波損失を低減させることを可能として、信号光の導波方向と直交する方向で容易に発振を起こさせることができる。
また、n−GaInAsP電流ブロック層504のバンドギャップはGaInAsP活性層502のバンドギャップよりも大きくなるように設定することにより、n−GaInAsP電流ブロック層504を光が導波する場合の吸収損失を抑えることが可能となる。このため、信号光の導波方向と直交する方向での吸収損失を抑制することができ、信号光の導波方向と直交する方向で容易に発振を起こさせることが可能となる。
For this reason, it becomes possible to suppress the waveguide loss in the n-GaInAsP
Further, by setting the band gap of the n-GaInAsP
また、信号光の導波方向と直交する方向に光を反射させる回折格子をn−GaInAsP電流ブロック層504に設けることにより、素子の切り出し後にn−GaInAsP電流ブロック層504に高反射膜を形成することなく、信号光の導波方向と直交する方向に光を反射させることが可能となり、製造プロセスの煩雑化を抑制しつつ、信号光の導波方向と直交する方向で発振を起こさせることが可能となる。
Further, by providing a diffraction grating that reflects light in a direction orthogonal to the waveguide direction of signal light in the n-GaInAsP
ここで、GaInAsP活性層502と直交する方向に所定間隔で配列されたn−InP埋め込み層510をn−GaInAsP電流ブロック層504に形成することにより、フォトリソグラフィ技術およびエッチング加工技術を用いて、n−GaInAsP電流ブロック層504に回折格子を形成することが可能となり、製造プロセスの煩雑化を抑制しつつ、信号光の導波方向と直交する方向で発振を起こさせることが可能となる。
Here, n-InP buried
なお、信号光の導波方向と直交する方向で発振を行わせた場合、GaInAsP活性層502の幅が狭いと、信号光の導波方向と直交する方向での利得が小さくなり、信号光の導波方向と直交する方向での発振が起こり難くなる。このため、n−GaInAsP電流ブロック層504に形成された回折格子の反射率を高める必要があり、回折格子の凹部と凸部の屈折率差を大きくとるか、回折格子の深さを深くすることが好ましい。
When oscillation is performed in the direction orthogonal to the signal light guiding direction, if the width of the GaInAsP
図2は、図1の半導体光増幅器の規格化結合係数に対する反射率の関係を示す図である。なお、図2では、回折格子が無損失と仮定した場合、規格化結合係数に対して最も反射率が高くなるブラッグ波長の反射率Rを示す。ただし、規格化結合係数は、結合係数κと回折格子長Lの積を表す。
図2において、回折格子の規格化結合係数が1.0程度であれば、58%程度の反射率Rを得ることができる。また、回折格子の規格化結合係数が1.5程度であれば、80%以上の反射率Rを得ることができる。さらに、90%以上の反射率Rが必要な場合は、回折格子の規格化結合係数を1.8程度とすればよい。また、反射率Rを99%以上とする場合には、回折格子の規格化結合係数を3以上とする必要がある。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship of the reflectance with respect to the normalized coupling coefficient of the semiconductor optical amplifier of FIG. FIG. 2 shows the Bragg wavelength reflectivity R at which the reflectivity is highest with respect to the normalized coupling coefficient, assuming that the diffraction grating is lossless. However, the normalized coupling coefficient represents the product of the coupling coefficient κ and the diffraction grating length L.
In FIG. 2, when the normalized coupling coefficient of the diffraction grating is about 1.0, a reflectance R of about 58% can be obtained. Further, if the normalized coupling coefficient of the diffraction grating is about 1.5, a reflectance R of 80% or more can be obtained. Furthermore, when a reflectance R of 90% or more is required, the normalized coupling coefficient of the diffraction grating may be set to about 1.8. When the reflectance R is 99% or more, the normalized coupling coefficient of the diffraction grating needs to be 3 or more.
一方、図1の構成では、共振方向は信号光の導波方向と直交する方向であるため、デバイスの横幅のほぼ半分が回折格子長Lとなる。また、図2の計算結果は無損失を前提としているが、実際のデバイスでは損失があるため、計算結果よりも反射率が低下する。従って、回折格子長Lは短い方が好ましい。例えば、回折格子長Lを150μmとして、反射率Rを80%以上としたい場合、すなわち、規格化結合係数を1.5程度とすると、100cm-1以上の結合係数が必要となる。また、回折格子長Lを150μmとして、反射率Rを99%以上としたい場合、すなわち、規格化結合係数を3とすると、200cm-1の結合係数が必要となる。 On the other hand, in the configuration of FIG. 1, the resonance direction is a direction orthogonal to the waveguide direction of the signal light, so that almost half of the lateral width of the device is the diffraction grating length L. The calculation result in FIG. 2 is based on the assumption that there is no loss. However, since there is a loss in an actual device, the reflectance is lower than the calculation result. Accordingly, the diffraction grating length L is preferably shorter. For example, when the diffraction grating length L is 150 μm and the reflectance R is 80% or more, that is, when the normalized coupling coefficient is about 1.5, a coupling coefficient of 100 cm −1 or more is required. Further, when it is desired to set the diffraction grating length L to 150 μm and the reflectance R to be 99% or more, that is, when the normalized coupling coefficient is 3, a coupling coefficient of 200 cm −1 is required.
なお、GaInAsP活性層502の形状はバルクの他、MQW(多重量子井戸)、量子細線、量子ドットなどでもよく、また、上下の閉じ込めを所望の値にするために分離閉じ込めヘテロ構造(SCH)や、屈折率を徐々に変化させた傾斜屈折率閉じ込め構造(GRIN−SCH)としてもよい。さらに、材料に関しても、InPおよびGaInAsPの組み合わせに限定されることなく、GaAs、AlGaAs、GaInAs、GaInNAs、AlGaAsPなど他の半導体材料を用いるようにしてもよい。
The shape of the GaInAsP
ただし、発振光のエネルギーよりも禁制帯幅が小さくなると吸収が大きくなるため、p−InP電流ブロック層503およびn−GaInAsP電流ブロック層504の代わりに用いられる半導体材料の禁制帯幅は、GaInAsP活性層502の代わりに用いられる半導体材料の禁制帯幅よりも大きい方が好ましい。また、n−InP埋め込み層510の代わりに用いられる半導体材料の屈折率は、その周りの材料の屈折率と異なることが必要である。
また、上述した実施形態では、信号光を増幅する光導波路を直線状に形成する方法について説明したが、曲がり導波路の両側に共振器構造を形成するようにしてもよい。
However, since the absorption increases when the forbidden band width becomes smaller than the energy of the oscillation light, the forbidden band width of the semiconductor material used instead of the p-InP
In the above-described embodiments, the method of linearly forming the optical waveguide for amplifying the signal light has been described. However, a resonator structure may be formed on both sides of the bent waveguide.
図3は、図1の半導体光増幅器の電流ブロック層のその他の構成例を示す断面図である。
図3(a)において、n−InP基板a1上には、p−InP電流ブロック層a2およびn−GaInAsP電流ブロック層a3が順次積層されている。そして、n−GaInAsP電流ブロック層a3には、所定間隔で配列されたn−InP埋め込み層a11が形成されている。そして、n−InP埋め込み層a11が埋め込まれたn−GaInAsP電流ブロック層a3上には、p−InPコンタクト層a4が形成されている。なお、p−InP電流ブロック層a2の代わりにGaInAsP電流ブロック層を用いるようにしてもよい。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing another configuration example of the current blocking layer of the semiconductor optical amplifier of FIG.
In FIG. 3A, a p-InP current blocking layer a2 and an n-GaInAsP current blocking layer a3 are sequentially stacked on an n-InP substrate a1. In the n-GaInAsP current blocking layer a3, n-InP buried layers a11 arranged at a predetermined interval are formed. A p-InP contact layer a4 is formed on the n-GaInAsP current blocking layer a3 in which the n-InP buried layer a11 is buried. Note that a GaInAsP current blocking layer may be used instead of the p-InP current blocking layer a2.
また、図3(b)において、n−InP基板b1上には、p−InP電流ブロック層b2およびn−GaInAsP電流ブロック層b3が順次積層されている。そして、n−GaInAsP電流ブロック層b3には、所定間隔で配列されたn−InP埋め込み層b11が形成されている。そして、n−InP埋め込み層b11が埋め込まれたn−GaInAsP電流ブロック層b3上には、p−InPコンタクト層b4が形成されている。なお、p−InP電流ブロック層b2の代わりにGaInAsP電流ブロック層を用いるようにしてもよい。 In FIG. 3B, a p-InP current blocking layer b2 and an n-GaInAsP current blocking layer b3 are sequentially stacked on the n-InP substrate b1. In the n-GaInAsP current blocking layer b3, n-InP buried layers b11 arranged at a predetermined interval are formed. A p-InP contact layer b4 is formed on the n-GaInAsP current blocking layer b3 in which the n-InP buried layer b11 is embedded. Note that a GaInAsP current blocking layer may be used instead of the p-InP current blocking layer b2.
また、n−GaInAsP電流ブロック層b3とp−InPコンタクト層b4との間には、n−GaInAsP層b3´が挿入されている。これにより、回折格子の位置や結合係数を容易に調整することが可能となり、製造プロセスの煩雑化を抑制しつつ、信号光の導波方向と直交する方向の反射率を調整することができる。なお、n−GaInAsP層b3´の代わりにp−GaInAsP層を用いるようにしてもよい。
また、n−GaInAsP層b3´の代わりにn−InP層を用いるようにしてもよく、これにより、電流ブロック特性を容易に調整することが可能となる。なお、n−GaInAsP層b3´の代わりに、n−GaInAsP層とn−InP層との積層構造を用いるようにしてもよい。
An n-GaInAsP layer b3 ′ is inserted between the n-GaInAsP current blocking layer b3 and the p-InP contact layer b4. Thereby, the position and coupling coefficient of the diffraction grating can be easily adjusted, and the reflectance in the direction orthogonal to the waveguide direction of the signal light can be adjusted while suppressing the complexity of the manufacturing process. Note that a p-GaInAsP layer may be used instead of the n-GaInAsP layer b3 ′.
In addition, an n-InP layer may be used instead of the n-GaInAsP layer b3 ′, which makes it possible to easily adjust the current block characteristics. Note that a stacked structure of an n-GaInAsP layer and an n-InP layer may be used instead of the n-GaInAsP layer b3 ′.
また、図3(c)において、n−InP基板c1上には、p−InP電流ブロック層c2およびn−GaInAsP電流ブロック層c3が順次積層されている。そして、n−GaInAsP電流ブロック層c3には、所定間隔で配列されたn−InP埋め込み層c11が形成されている。そして、n−InP埋め込み層c11が埋め込まれたn−GaInAsP電流ブロック層c3上には、p−InPコンタクト層c4が形成されている。なお、p−InP電流ブロック層c2の代わりにGaInAsP電流ブロック層を用いるようにしてもよい。 In FIG. 3C, a p-InP current blocking layer c2 and an n-GaInAsP current blocking layer c3 are sequentially stacked on the n-InP substrate c1. In the n-GaInAsP current blocking layer c3, n-InP buried layers c11 arranged at a predetermined interval are formed. A p-InP contact layer c4 is formed on the n-GaInAsP current blocking layer c3 in which the n-InP buried layer c11 is buried. Note that a GaInAsP current blocking layer may be used instead of the p-InP current blocking layer c2.
また、p−InP電流ブロック層c2とn−GaInAsP電流ブロック層c3との間には、p−GaInAsP層c2´が挿入されている。これにより、回折格子の位置や結合係数を容易に調整することが可能となり、製造プロセスの煩雑化を抑制しつつ、信号光の導波方向と直交する方向の反射率を調整することができる。
また、p−GaInAsP層c2´の代わりにn−InP層を用いるようにしてもよく、これにより、電流ブロック特性を容易に調整することが可能となる。なお、図3(c)のn−GaInAsP電流ブロック層c3とp−InPコンタクト層c4との間に、図3(b)のn−GaInAsP層b3´をさらに挿入するようにしてもよい。
Also, a p-GaInAsP layer c2 ′ is inserted between the p-InP current blocking layer c2 and the n-GaInAsP current blocking layer c3. Thereby, the position and coupling coefficient of the diffraction grating can be easily adjusted, and the reflectance in the direction orthogonal to the waveguide direction of the signal light can be adjusted while suppressing the complexity of the manufacturing process.
In addition, an n-InP layer may be used instead of the p-GaInAsP layer c2 ′, thereby making it possible to easily adjust the current block characteristics. Note that the n-GaInAsP layer b3 ′ in FIG. 3B may be further inserted between the n-GaInAsP current blocking layer c3 and the p-InP contact layer c4 in FIG.
図4は本発明の第2実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す斜視図である。
図4において、n−InP基板801上には、GaInAsP活性層802がストライプ状に形成されるとともに、GaInAsP活性層802と並列に配置されたGaInAsP活性層811が形成されている。そして、GaInAsP活性層802、811の側方は、n−InP基板801上に順次積層されたp−InP電流ブロック層803およびn−GaInAsP電流ブロック層804にて埋め込まれている。なお、n−GaInAsP電流ブロック層804のバンドギャップ波長はGaInAsP活性層802、811のバンドギャップ波長よりも短波、すなわち、n−GaInAsP電流ブロック層804のバンドギャップはGaInAsP活性層802、811のバンドギャップよりも大きくなるように設定することが好ましい。
FIG. 4 is a perspective view showing a schematic configuration of a semiconductor optical amplifier according to the second embodiment of the present invention.
In FIG. 4, a GaInAsP
ここで、n−InP基板801とp−InPクラッド層805との間にGaInAsP活性層802を形成することにより、信号光を増幅する光導波路を構成することができる。また、p−InP電流ブロック層803およびn−GaInAsP電流ブロック層804にてGaInAsP活性層802の両側を埋め込むことにより、埋め込みヘテロ構造を構成することができる。
Here, by forming the GaInAsP
ここで、GaInAsP活性層802、811の双方を介して互いに隔てられたn−GaInAsP電流ブロック層804には、GaInAsP活性層802と直交する方向に光を反射させる回折格子が形成されている。すなわち、GaInAsP活性層802、811の双方を介して互いに隔てられたn−GaInAsP電流ブロック層804には、GaInAsP活性層802と直交する方向に所定間隔で配列されたn−InP埋め込み層810が形成されている。
Here, in the n-GaInAsP
そして、GaInAsP活性層802、811およびn−GaInAsP電流ブロック層804上には、p−InPクラッド層805が形成され、p−InPクラッド層805上には、p−GaInAsコンタクト層806a、806bが形成されている。ここで、p−GaInAsコンタクト層806aはGaInAsP活性層802の形状に対応してパターニングされている。また、p−GaInAsコンタクト層806bは、GaInAsP活性層811の端部にかからないようにして、GaInAsP活性層811の形状に対応してパターニングされている。
A p-
また、p−GaInAsコンタクト層806a上には、信号光導波路電極807が形成されるとともに、信号光導波路電極807にはボンディングパッド807aが接続されている。また、p−GaInAsコンタクト層806b上には、利得補助領域電極812が形成されるとともに、利得補助領域電極812にはボンディングパッド812aが接続されている。そして、n−InP基板801の裏面にはn側電極808が形成されている。
また、p−InPクラッド層805上には、信号光導波路電極807、利得補助領域電極812およびボンディングパッド807a、812aが露出するようにして、シリコン酸化膜などの絶縁膜809が形成されている。また、GaInAsP活性層802、811が設けられた光導波路の両端面には、反射防止膜(ARコート)が施されている。
A signal
Further, an insulating
そして、信号光導波路電極807に電圧を印加することにより、n−GaInAsP電流ブロック層804にて電流を狭窄させながら、GaInAsP活性層802に電流を注入することができる。そして、GaInAsP活性層802に電流が注入されると、GaInAsP活性層802にて発光させることができる。そして、GaInAsP活性層802にて生成された光は、GaInAsP活性層802の両側のn−GaInAsP電流ブロック層804にて反射され、GaInAsP活性層802と直交する方向にレーザ発振を起こさせることができる。
Then, by applying a voltage to the signal
また、利得補助領域電極812に電圧を印加することにより、n−GaInAsP電流ブロック層804にて電流を狭窄させながら、GaInAsP活性層811に電流を注入することができる。そして、GaInAsP活性層811に電流を注入することにより、GaInAsP活性層802と直交する方向で生じる発振のしきい値電流密度を制御することが可能となり、GaInAsP活性層802のキャリア密度を制御することができる。
In addition, by applying a voltage to the gain assisting
そして、GaInAsP活性層802と直交する方向にレーザ発振が起こると、GaInAsP活性層802に入射された信号光強度が変動した場合においても、GaInAsP活性層802のキャリア密度を一定に保つことができ、半導体光増幅器の利得を一定値にクランプさせることができる。
そして、GaInAsP活性層802に信号光を入射させると、GaInAsP活性層802を導波しながら信号光が増幅され、信号光の入射面と反対側から増幅光を出射させることができる。
When laser oscillation occurs in a direction perpendicular to the GaInAsP
When the signal light is incident on the GaInAsP
これにより、信号光の導波方向と異なる方向に発振光を導波させることを可能としつつ、GaInAsP活性層802の利得をクランプさせることが可能となるとともに、GaInAsP活性層802の利得を制御することが可能となる。このため、GaInAsP活性層802から出射される増幅光に発振光が混入することを防止しつつ、発振により利得がクランプされたGaInAsP活性層802内で、入力信号光を所望の値に増幅させることが可能となる。この結果、半導体光増幅器の利得を調整することを可能としつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となり、波長多重光伝送システムに半導体光増幅器を用いた場合においても、波長多重数による光信号の利得変動を防止することができる。
As a result, the gain of the GaInAsP
また、GaInAsP活性層811の端部にかからないようにp−GaInAsコンタクト層806bおよび信号光導波路電極807を配置することにより、GaInAsP活性層811の端部に吸収領域を設けることができる。このため、本来発振させたい信号光の導波方向と直交する方向で発振が起こる前に、GaInAsP活性層811が信号光の導波方向と並行する方向に発振することを防止することができ、利得が一定となって信号光の導波方向と直交する方向の利得が効果的に得られなくなることを防止できる。
Further, by disposing the p-
なお、GaInAsP活性層811は、それぞれ独立して電流注入可能な複数の領域に分離するようにしてもよく、分離されたGaInAsP活性層811の体積が異なるようにしてもよい。これにより、GaInAsP活性層811に注入される電流値をGaInAsP活性層811の部位に応じて異ならせることが可能となり、GaInAsP活性層811に電流を注入することにより、微妙な利得調整を行うことができる。
The GaInAsP
また、図4の実施形態では、GaInAsP活性層802およびGaInAsP活性層811を同一の層構造を用いて形成する方法について説明したが、GaInAsP活性層802とGaInAsP活性層811とは必ずしも同一の層構造を用いて形成する必要はなく、GaInAsP活性層802およびGaInAsP活性層811の材質が互いに異なっていてもよい。また、図4の実施形態では、GaInAsP活性層802、811の間にn−InP埋め込み層810を形成しないようにする方法について説明したが、GaInAsP活性層802、811の間にn−InP埋め込み層810を形成するようにしてもよい。
In the embodiment of FIG. 4, the method of forming the GaInAsP
図5は、本発明の第3実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す斜視図である。
図5において、n−InP基板901上には、GaInAsP活性層902が積層され、GaInAsP活性層902には、GaInAsP活性層902が光の導波方向にストライプ状に残るようにして、n−InP埋め込み層910が埋め込まれている。ここで、n−InP埋め込み層910は、光の導波方向と直交する方向に周期的に配置され、光の導波方向と直交する方向に光を反射させる回折格子を構成している。そして、n−InP埋め込み層910が埋め込まれたGaInAsP活性層902上には、p−InPクラッド層905が形成されている。ここで、n−InP基板901とp−InPクラッド層905との間にGaInAsP活性層902を形成することにより、信号光を増幅する光導波路を構成することができる。また、GaInAsP活性層902にn−InP埋め込み層910を埋め込むことにより、光の導波方向と直交する方向に光を反射させる回折格子を形成した上で、その回折格子が形成された領域に利得を持たせることができる。なお、利得を持った回折格子領域に長さは、GaInAsP活性層802に形成されたストライプ導波路を挟む両側の回折格子にて光が反射され発振するように設定し、利得を持った片側の回折格子領域のみでは発振しないように設定することができる。
FIG. 5 is a perspective view showing a schematic configuration of a semiconductor optical amplifier according to the third embodiment of the present invention.
In FIG. 5, a GaInAsP
そして、p−InPクラッド層905上には、p−GaInAsコンタクト層906a、906bが形成されている。ここで、p−GaInAsコンタクト層906aはGaInAsP活性層902に形成されたストライプ導波路に対応してパターニングされている。また、p−GaInAsコンタクト層906bは、半導体光増幅器の入出射端にかからないようにして、n−InP埋め込み層910が配置された回折格子領域に対応してパターニングされている。ここで、半導体光増幅器の入出射端にかからないようにp−GaInAsコンタクト層906bを配置することにより、ストライプ導波路と平行な方向での発振を抑制することができる。
On the p-
また、p−GaInAsコンタクト層906a上には、信号光導波路電極907が形成されるとともに、p−GaInAsコンタクト層906b上には、回折格子領域電極912、913が形成されている。そして、n−InP基板901の裏面にはn側電極908が形成されている。また、p−InPクラッド層905上には、信号光導波路電極907および回折格子領域電極912、913が露出するようにして、シリコン酸化膜などの絶縁膜909が形成されている。また、GaInAsP活性層902が設けられた光導波路の両端面には、反射防止膜(ARコート)が施されている。
A signal
そして、信号光導波路電極907に電圧を印加することにより、GaInAsP活性層902に電流を注入することができる。そして、GaInAsP活性層902に電流が注入されると、GaInAsP活性層902にて発光させることができる。そして、GaInAsP活性層902にて生成された光は、GaInAsP活性層902に形成されたストライプ導波路の両側のn−InP埋め込み層910にて反射され、ストライプ導波路と直交する方向にレーザ発振を起こさせることができる。
A current can be injected into the GaInAsP
この時、回折格子領域電極912、913に電圧を印加することにより、n−InP埋め込み層910が埋め込まれたGaInAsP活性層902に電流を注入することができる。これにより、n−InP埋め込み層910が埋め込まれた回折格子領域に利得を持たせることができ、ストライプ導波路と直交する方向にレーザ発振を容易に起こさせることができる。
そして、GaInAsP活性層902に形成されたストライプ導波路と直交する方向にレーザ発振が起こると、GaInAsP活性層902に入射された信号光強度が変動した場合においても、GaInAsP活性層902のキャリア密度を一定に保つことができ、半導体光増幅器の利得を一定値にクランプさせることができる。
At this time, by applying a voltage to the diffraction
When laser oscillation occurs in a direction orthogonal to the stripe waveguide formed in the GaInAsP
そして、GaInAsP活性層902に信号光を入射させると、GaInAsP活性層902を導波しながら信号光が増幅され、信号光の入射面と反対側から増幅光を出射させることができる。ここで、GaInAsP活性層902よりも屈折率の小さなn−InP埋め込み層910をGaInAsP活性層902に周期的に埋め込むことにより、ストライプ導波路の両側に回折格子が形成される。このため、ストライプ導波路から続くGaInAsP活性層902を回折格子領域の利得領域として用いた場合においても、ストライプ導波路に比べて回折格子領域の平均の屈折率を低下させることができ、ストライプ導波路に信号光を効率よく導波させることができる。
When the signal light is incident on the GaInAsP
また、信号光導波路電極907および回折格子領域電極912、913を分割配置することにより、信号光導波路電極907および回折格子領域電極912、913への電流配分比を変化させることが可能となる。このため、ストライプ導波路と直交する方向での発振しきい値電流密度を制御することが可能となり、ストライプ導波路のキャリア密度を変化させることを可能として、信号光の利得を変化させることができる。なお、信号光導波路電極907および回折格子領域電極912、913が必ずしも分割配置する必要はなく、信号光導波路電極907および回折格子領域電極912、913を共通化してもよい。また、上述した第3実施形態では、電流注入領域を制限するために、p−GaInAsコンタクト層906a、906bを分離する方法について説明したが、p−InPクラッド層905を所定の深さまでエッチングすることにより、ストライプ導波路と回折格子領域との間の分離抵抗をさらに大きくするようにしてもよい。
Further, by dividing the signal
図6は、本発明の第4実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す斜視図である。
図6において、n−InP基板1001上には、GaInAsP活性層1002が積層され、GaInAsP活性層1002には、GaInAsP活性層1002が光の導波方向にストライプ状に残るようにして、n−InP埋め込み層1010が埋め込まれている。ここで、n−InP埋め込み層1010は、光の導波方向と直交する方向に周期的に配置され、光の導波方向と直交する方向に光を反射させる回折格子を構成している。そして、GaInAsP活性層1002に形成されたストライプ導波路と、n−InP埋め込み層1010が配置された回折格子領域との間には、n−InP基板1001上に順次積層されたp−InP電流ブロック層1003およびn−GaInAsP電流ブロック層1004が形成されている。
FIG. 6 is a perspective view showing a schematic configuration of a semiconductor optical amplifier according to the fourth embodiment of the present invention.
In FIG. 6, a GaInAsP
そして、n−InP埋め込み層1010が埋め込まれたGaInAsP活性層1002およびn−GaInAsP電流ブロック層1004上には、p−InPクラッド層1005が形成されている。ここで、n−InP基板1001とp−InPクラッド層1005との間にGaInAsP活性層1002を形成することにより、信号光を増幅する光導波路を構成することができる。また、GaInAsP活性層1002にn−InP埋め込み層1010を埋め込むことにより、光の導波方向と直交する方向に光を反射させる回折格子を形成した上で、その回折格子が形成された領域に利得を持たせることができる。
A p-
そして、p−InPクラッド層1005上には、p−GaInAsコンタクト層1006a、1006bが形成されている。ここで、p−GaInAsコンタクト層1006aはGaInAsP活性層1002に形成されたストライプ導波路に対応してパターニングされている。また、p−GaInAsコンタクト層1006bは、半導体光増幅器の入出射端にかからないようにして、n−InP埋め込み層1010が配置された回折格子領域に対応してパターニングされている。ここで、半導体光増幅器の入出射端にかからないようにp−GaInAsコンタクト層1006bを配置することにより、ストライプ導波路と平行な方向での発振を抑制することができる。
On the p-
また、p−GaInAsコンタクト層1006a上には、信号光導波路電極1007が形成されるとともに、p−GaInAsコンタクト層1006b上には、回折格子領域電極1012、1013が形成されている。そして、n−InP基板1001の裏面にはn側電極1008が形成されている。また、p−InPクラッド層1005上には、信号光導波路電極1007および回折格子領域電極1012、1013が露出するようにして、シリコン酸化膜などの絶縁膜1009が形成されている。また、GaInAsP活性層1002が設けられた光導波路の両端面には、反射防止膜(ARコート)が施されている。
A signal
そして、信号光導波路電極1007に電圧を印加することにより、n−GaInAsP電流ブロック層1004にて電流を狭窄させながら、GaInAsP活性層1002に電流を注入することができる。そして、GaInAsP活性1002に電流が注入されると、GaInAsP活性層1002にて発光させることができる。そして、GaInAsP活性層1002にて生成された光は、GaInAsP活性層1002に形成されたストライプ導波路の両側のn−InP埋め込み層1010にて反射され、ストライプ導波路と直交する方向にレーザ発振を起こさせることができる。
By applying a voltage to the signal
この時、回折格子領域電極1012、1013に電圧を印加することにより、n−InP埋め込み層1010が埋め込まれたGaInAsP活性層1002に電流を注入することができる。これにより、n−InP埋め込み層1010が埋め込まれた回折格子領域に利得を持たせることができ、ストライプ導波路と直交する方向にレーザ発振を容易に起こさせることができる。
At this time, by applying a voltage to the diffraction
そして、GaInAsP活性層1002に形成されたストライプ導波路と直交する方向にレーザ発振が起こると、GaInAsP活性層1002に入射された信号光強度が変動した場合においても、GaInAsP活性層1002のキャリア密度を一定に保つことができ、半導体光増幅器の利得を一定値にクランプさせることができる。
そして、GaInAsP活性層1002に信号光を入射させると、GaInAsP活性層1002を導波しながら信号光が増幅され、信号光の入射面と反対側から増幅光を出射させることができる。
When laser oscillation occurs in a direction perpendicular to the stripe waveguide formed in the GaInAsP
When signal light is incident on the GaInAsP
ここで、GaInAsP活性層1002に形成されたストライプ導波路と、n−InP埋め込み層1010が配置された回折格子領域との間に、p−InP電流ブロック層1003およびn−GaInAsP電流ブロック層1004を形成することにより、ストライプ導波路への電流注入と回折格子が形成された活性領域への電流注入とをそれぞれ別個に制御することが可能となる。このため、ストライプ導波路のキャリア密度の制御を精度よく行うことが可能となり、信号光の利得制御を精度よく行うことができる。
Here, the p-InP
また、n−GaInAsP電流ブロック層1004をp−InP電流ブロック層1003およびn−InP基板1001にて挟み込むことにより、屈折率の高い層をそれよりも屈折率の低い層で挟み込むことができ、GaInAsP活性層1002に形成されたストライプ導波路と直交する方向に光を効率よく導波させることができる。ただし、GaInAsP活性層1002に形成されたストライプ導波路と、n−InP埋め込み層1010が配置された回折格子領域とが近接している場合、必ずしもストライプ導波路と直交する方向に導波構造を形成する必要はない。このため、n−InP基板1001上に順次積層されたp−InP電流ブロック層1003およびn−GaInAsP電流ブロック層1004を用いる代わりに、例えば、Feがドーピングされた半絶縁性InP層を用いるようにしてもよい。
Further, by sandwiching the n-GaInAsP
なお、p−InP電流ブロック層1003およびn−GaInAsP電流ブロック層1004には、ストライプ導波路と直交する方向での反射率を高めるために、回折格子を形成するようにしてもよい。また、上述した第4実施形態では、ストライプ導波路の両側の回折格子の双方に利得を持たせる方法について説明したが、一方の回折格子をGaInAsP活性層1002に形成することにより、一方の回折格子にのみ利得を持たせ、他方の回折格子は電流ブロック層に形成するようにしてもよい。
Note that diffraction gratings may be formed in the p-InP
上述した半導体光増幅器は、光通信、光交換、光情報処理などの光を利用した光伝送処理システムなどの用途に適用することができ、特に、波長多重数による光信号の利得変動を防止することを可能としつつ、波長多重光伝送システムの大型化を抑制することが可能となる。 The semiconductor optical amplifier described above can be applied to applications such as optical transmission processing systems using light such as optical communication, optical switching, and optical information processing, and in particular, prevents fluctuations in gain of an optical signal due to the number of multiplexed wavelengths. This makes it possible to suppress an increase in the size of the wavelength division multiplexing optical transmission system.
501、a1、b1、c1、801、901、1001 n−InP基板
502、802、811、902、1002、1011 GaInAsP活性層
503、803、1003 p−InP電流ブロック層
504、804、1004 n−GaInAsP電流ブロック層
505、805、905、1005 p−InPクラッド層
506、806a、806b、906a、906b、1006a、1006b p−GaInAsコンタクト層
507、907、1007 上面電極
507a、807a、812a ボンディングパッド
508、808、908、1008 裏面電極
509、809、909、1009 絶縁膜
510、a11、b11、c11、810、910、1010 n−InP埋め込み層
a2、b2、c2 p−InP層
a3、b3、b3´、c3 n−GaInAsP層
c2´ p−GaInAsP層
a4、b4、c4 p−InPコンタクト層
807 信号光導波路電極
812 利得補助領域電極
912、913、1012、1013 回折格子領域電極
501, a1, b1, c1, 801, 901, 1001 n-
Claims (14)
前記光導波路と交差するように配置され、前記基板に対して水平な方向で発振させる共振部とを備えることを特徴とする半導体光増幅器。 An optical waveguide formed on the substrate for amplifying signal light;
A semiconductor optical amplifier comprising: a resonance unit that is disposed so as to intersect with the optical waveguide and that oscillates in a direction horizontal to the substrate.
前記光導波路と交差するように配置され、前記基板に対して水平な方向で発振させる共振部と、
前記基板上に形成され、前記光導波路と並列に配置された活性領域とを備えることを特徴とする半導体光増幅器。 An optical waveguide formed on the substrate for amplifying signal light;
A resonance part that is arranged to intersect the optical waveguide and oscillates in a direction horizontal to the substrate;
A semiconductor optical amplifier comprising an active region formed on the substrate and arranged in parallel with the optical waveguide.
前記基板上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成されたクラッド層とを備え、
前記電流ブロック層に設けられた屈折率の高い層のバンドギャップは、前記活性層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする請求項7記載の半導体光増幅器。 The optical waveguide is
An active layer formed on the substrate;
A clad layer formed on the active layer,
8. The semiconductor optical amplifier according to claim 7, wherein a band gap of the high refractive index layer provided in the current blocking layer is larger than a band gap of the active layer.
前記光導波路から続いている活性層に形成され、前記光導波路と直行するように光を反射させる回折格子とを備えることを特徴とする半導体光増幅器。 An optical waveguide formed on a substrate and provided with an active layer for amplifying signal light;
A semiconductor optical amplifier comprising a diffraction grating formed in an active layer continuing from the optical waveguide and reflecting light so as to be orthogonal to the optical waveguide.
前記基板上に形成され、前記光導波路と並列に配置された活性領域と、
前記活性領域に形成され、前記光導波路と交差するように光を反射させる回折格子とを備えることを特徴とする半導体光増幅器。 An optical waveguide formed on the substrate for amplifying signal light;
An active region formed on the substrate and disposed in parallel with the optical waveguide;
A semiconductor optical amplifier, comprising: a diffraction grating formed in the active region and reflecting light so as to intersect the optical waveguide.
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