JP2007513524A - 垂直結合広域増幅器 - Google Patents

Abstract

非ドープ導波路と、非ドープ導波路の上に位置するリッジ導波路と、非ドープ導波路とリッジ導波路の間にある少なくとも１つのドープ層とを含み、非ドープ導波路とリッジ導波路が協働して非ドープ導波路への光入力を増幅する、モノリシック光増幅システム。

Description

本発明は、一般に光学システムおよび光増幅器に関する。

光信号の増幅は重要であることが知られている。高出力光増幅は、遠隔通信およびアブレーション（ablation）の応用分野に有用であるが、どちらも非限定的な例にすぎない。約５００ワット以上という光信号の忠実な増幅出力を実現することが望ましいと考えられるが、これもまた非限定的な例である。

光ファイバによる光信号伝送の原理はよく知られている。実際、従来の多くの用途において光を伝送するために光ファイバが使用されている。他のタイプの光導波路に加えて、光ファイバとともに使用するのに適した高出力光増幅器を提供することが望ましいと考えられる。

本願発明は、非ドープ導波路と、非ドープ導波路の上に位置するリッジ導波路と、非ドープ導波路とリッジ導波路の間にある少なくとも１つのドープ層とを含み、非ドープ導波路とリッジ導波路が協働して非ドープ導波路への光入力を増幅するモノリシック光増幅システムである。

好ましい実施形態についての以下の詳細な説明を添付図面とともに考慮することにより、本発明の理解は容易になるであろう。それらの図面を通じて、同じ番号は同じ部品を示す。

本発明の明確な理解にとって重要なある要素を説明するために、本発明の図および説明は簡略化されており、一方、明確にするために、典型的な光学システムおよびそのシステムを作製し使用する方法で見られる他の多くの要素が除かれていることを理解されたい。本発明を実施するためには他の要素が望ましくかつ／または必要であることを当業者なら認識するであろう。しかしながら、このような要素は当技術分野で周知であるため、また、それらによって本発明のより良い理解が容易にはならないため、本明細書中ではこのような要素については論じない。

図１を参照すると、本発明の一態様による増幅器システム１０の概略図が示してある。増幅器１０は、一般に基板２０、増幅／導波領域３０および導波路領域４０を含む。増幅器システム１０は、モノリシックな性質のものでよい。増幅器システム１０は、フォトニック集積回路の一部として他のフォトニック構成要素とともに、かつ／または光ファイバなどの非モノリシック構成要素と組み合わせて使用することができる。たとえば、増幅器システム１０を単独で、他の増幅器と組み合わせて、またはレーザのような光源もしくはフォトニック・スイッチなど他のフォトニック構成要素と組み合わせて設けることができるが、これらはすべて非限定的な例にすぎない。

基板２０は、このシステムで見られる他の材料とともに使用するのに適した、任意の適切な光学システム基板の形をとることができる。基板２０は、たとえば領域３０および４０をその上で支持することができる構造的基礎を提供する。基板２０はＧａＡｓで構成することができるが、これは非限定的な例にすぎない。

領域３０は、動作中、主な伝播・増幅領域となる。領域３０は、このシステムで見られる他の材料とともに使用するのに適した１つまたは複数の導波路材料で構成することができる。たとえば、領域３０をＡｌＧａＡｓで構成することができる。本発明の一態様によれば、領域３０はドープされていなくてよい。本発明の一態様によれば、領域３０を非ドープＡｌＧａＡｓで構成することができる。本発明の一態様によれば、領域３０の断面積は、導波路領域４０の活性層に比べて大きくてよい。領域３０は、領域４０の活性化が領域３０内の光信号を増幅するように働くよう、垂直に、また光学的に領域４０と結合されている。

領域４０は、クラッド層の間に挟まれている活性層を含むリッジ導波路構造の形をとることができる。たとえば、領域４０は、上層クラッド４２と下層クラッド４６の間に挟まれている層４４内に量子井戸を含むことができる。より詳しい例を示すと、量子井戸層４４は、単一量子井戸（Single Quantum Well：ＳＱＷ）構造または多重量子井戸（Multi-Quantum Well：ＭＱＷ）構造の形をとることができる。量子井戸層４４は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓを含む系など、任意の適切な材料系で構成することができるが、これは非限定的な例にすぎない。上層クラッド４２は、ｐ−ＡｌＧａＡｓなど、層４４とともに使用するのに適したクラッド材料の形をとることができる。下層クラッド４６もまた、ｎ−ＡｌＧａＡｓなど、層４４とともに使用するのに適したクラッド材料の形をとることができる。上層クラッド層４２用にコンタクト４３を設けることができる。下層クラッド層４６用にコンタクト４５および４７を設けることができる。一構成においては、当業者には明らかなように、コンタクト４３が領域４０用のｐコンタクトを提供することができ、一方、コンタクト４５および４７が領域４０用のｎコンタクトを提供する。

このリッジ導波路構造には、任意で、受動および／またはキャップ層を設けることができる。さらに、このリッジ導波路構造の下層クラッド層４６を、領域３０の上面３０’に結合することができ、それによって領域３０を垂直に、また光学的に領域４０に結合することができる。

次に図２も参照すると、本発明の一態様による図１の増幅器システムの動作モード・プロファイル３５が示してある。それを見るとわかるように、領域３０は、リッジ導波路構造４０に対して大モード（large-mode）の導波路機能を提供する。見るとわかるように、本発明の一態様によれば、ドープ層（４２および４６）に低モーダル・オーバーラップ（low modal overlap）を提供することができる。たとえば、このオーバーラップは約０．０２％未満になり得る。したがって、システム１０は、約０．８ｃｍ^−１を下回るなど、低い光内部損失特性を示す。本発明の一態様によれば、クラッド層（４２および４６）は、約１０^１８ｃｍ^−３程度などの高濃度にドープされていてよい。さらに、本発明の一態様によれば、上層クラッド層４２は、約０．５μｍ程度など、比較的薄くてよい。当業者には明らかなように、これらの特性は、低い電気抵抗、たとえば約１０^−５Ω・ｃｍ^２程度、および低い温度抵抗、たとえば約２℃／Ｗatt・ｍｍ程度を示すデバイスをもたらす。したがって、本発明のデバイスは、高電流注入での使用に適している。このようにして、デバイス１０は大きな追加出力を示す。

さらに、本発明の一態様によれば、図１および２を見るとわかるように、大きな光学モード３５を提供することができる。したがって、デバイス１０は、光ファイバに対して優れた結合特性を示し、たとえば約８０％よりも大きくなり得る高い結合効率をもたらす。

さらには、本発明のデバイスの光学モードの大部分は非ドープ材料中を伝播するので、デバイス１０は低光損失および低発熱を示す。

次に図３も参照すると、図１および２による長さ約５ｍｍの構造の場合の例示的な光強度が示してある。それによって実証されるように、図１の増幅器を利用することにより大幅な増幅を実現することができる。ここで、層３０の第１の端面３０ｉを入力光面として使用し、反対側の端面３０ｏを出力光面として使用する。面３０ｉを介して増幅器３０に入力された光信号が、領域４０の励起に応答して層３０に沿って出力面３０ｏに向かって長さ方向に伝播するとき、それらを増幅することができる。

次に図４Ａおよび４Ｂも参照すると、本発明による増幅器システムは、光ファイバとともに使用するのに適するものでよい。光ファイバを使用して、入出力面３０ｉおよび３０ｏ（図３）を介するなどして光信号を増幅器１０に送り、増幅された信号を増幅器１０から受け取ることができる。図４Ａおよび４Ｂに示すように、近位場（near field）（すなわち、より近い面３０ｉ）でも遠位場（far field）（より近い面３０ｏ）でも層３０によって優れたスポット・サイズ形状が維持され、光ファイバとともに使用するのに適している。

本発明の一態様によれば、マルチリッジ・システム（multi-ridge system）を使用してさらに大きな増幅出力を提供することができる。このような場合には、図１のシステム１０などの形の個々の利得領域を直列に接続して、各デバイスが電気的に絶縁されたマルチリッジ・システムを形成することができる。これは、有利には、各デバイスにより均一な電流注入を提供し、動作中の出力変動を低減させることができる。これらのデバイスは、モノリシックに形成することができ、共通の基板上に、または別々に設けることができる。平面導波路または光ファイバを用いてこれらのデバイスを互いに結合することができるが、これらはすべて非限定的な例にすぎない。

非限定的なさらなる説明にすぎないが、以下の例も考慮することができる。図５を次に参照すると、本発明の一態様による増幅器システム５００が示してある。システム５００は、ＧａＡｓ基板などの半絶縁性基板１００を含むことができる。基板１００上に下層クラッド層１１０を設けることができる。下層クラッド１１０は約１．６μｍの厚さでよく、ドープされていなくてよい。下層クラッド１１０はＡｌＧａＡｓで構成することができ、約０．２５％のＡｌ含有量を有することができる。下層クラッド１１０の上に大モード導波路層（large-mode waveguide layer）１２０を形成することができる。大モード導波路層１２０はＡｌＧａＡｓで構成することができ、約０．２１％のＡｌ含有量を有することができる。大モード導波路１２０は約３μｍの厚さでよく、同様にドープされていなくてよい。大モード導波路１２０の上に傾斜導波路層（graded waveguide layer）１３０を設けることができる。傾斜導波路層１３０は、約０．３％から約０．２５％へと傾斜したアルミニウム含有量を有することができる。この傾斜層１３０は、量子井戸層のより近くでより低い百分比になるように、ほぼ直線的に、層構造に対して横方向に傾斜させることができる。傾斜導波路層１３０は約０．３μｍの厚さでよい。傾斜層１３０は、約３×１０^１８ｃｍ^−３未満にｎドープされていてよい。たとえば、層１３０は約１×１０^１８ｃｍ^−３にドープされていてよい。傾斜導波路１３０は、たとえばＡｌＧａＡｓで構成されたｎコンタクト層を備えることができる。このｎコンタクトＡｌＧａＡｓは、約２０％から約３０％のＡｌ含有量、および約１０^１８ｃｍ^−３程度のドーピング・レベルを有することができる。このｎコンタクトは、少なくとも約１０００Ｖ／ｃｍ・ｓｅｃの電子移動度を有することができる。

層１３０の上に傾斜導波路層１４０を設けることができる。層１４０は約０．２μｍの厚さでよい。傾斜導波路層１４０は、約０．２５％から約０．２％へと傾斜したアルミニウム含有量を有することができる。この傾斜層１４０は、量子井戸層のより近くでより低い百分比になるように、ほぼ直線的に、層構造に対して横方向に傾斜させることができる。傾斜導波路層１４０はドープされていなくてよい。傾斜層１４０の上にＧａＡｓバリア層１５０を設けることができる。バリア層１５０は、たとえば約１０ｎｍの厚さでよい。バリア層１５０はドープされていなくてよい。バリア層１５０の上にＩｎＧａＡｓ量子井戸層１６０を設けることができる。層１６０は約０．２％のＩｎ含有量を有することができ、たとえば約７ｎｍの厚さでよい。層１６０も同様にドープされていなくてよい。量子井戸層１６０の上にＧａＡｓバリア層１７０を設けることができる。バリア層１７０は約１０ｎｍの厚さでよく、同様にドープされていなくてよい。バリア層１７０の上に傾斜導波路層１８０を設けることができる。層１８０は約０．６μｍの厚さでよい。層１８０はＡｌＧａＡｓで構成することができ、約０．２％から約０．４％へと傾斜したＡｌ含有量を有することができる。この傾斜層１８０は、量子井戸層のより近くでより低い百分比になるように、ほぼ直線的に、層構造に対して横方向に傾斜させることができる。層１８０はドープされていなくてよい。層１８０の上にｐクラッド層１９０を設けることができる。層１９０は約１μｍの厚さでよい。層１９０はＡｌＧａＡｓで構成することができ、約０．４％のＡｌ含有量を有することができる。層１９０は、約２×１０^１８ｃｍ^−３にｐドープされていてよい。層１９０の上に中間傾斜層２００を設けることができる。層２００は約２００ｎｍの厚さでよく、ＡｌＧａＡｓで構成することができ、約０．４％から約０％へと傾斜したＡｌ含有量を有することができる。層２００は、量子井戸層のより近くでより高いＡｌ含有量となるように、ほぼ直線的に、層構造に対して横方向に傾斜させることができる。層２００は、約２×１０^１８ｃｍ^−３にｐドープされていてよい。最後に、層２００の上にコンタクト層２１０を設けることができる。層２１０は約５０ｎｍの厚さでよい。層２１０はＧａＡｓで構成することができ、約１０^１９ｃｍ^−３にｐドープされていてよい。

これらの層１００〜２１０は、その材料とともに使用するのに適した従来の加工方法、たとえば堆積やエッチングなどを用いて設け、形作ることができる。本発明の一態様によれば、層１２０のＡｌ含有量を正確に制御して優れた導波特性および増幅特性を提供することができる。たとえば、Ａｌ含有量をターゲット含有量の約１％以内に制御することが重要であることがわかる。

本発明の一態様によれば、層１００および１１０は、図１の基板２０として使用するのに適するものでよい。層１２０は、図１の領域３０として使用するのに適するものでよい。最後に、層１３０〜２１０は、図１の領域４０として使用するのに適するものでよい。

本発明の主旨または範囲から逸脱することなく本発明の装置および方法において様々な変更および変形を加えることができることが当業者には明らかになるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内であることを条件として、本発明はそれらの変更および変形を包含するものである。

本発明の一態様によるシステムの概略図である。 図１のシステムの断面２−２に対応するモード・プロファイルを示す図である。 本発明の一態様による例示的な性能特性を示す図である。 本発明の一態様による近位場の性能特性を示す図である。 本発明の一態様による遠位場の性能特性を示す図である。 本発明の一態様によるシステムの概略図である。

Claims (10)

1. 非ドープ導波路と、
   前記非ドープ導波路の上に位置するリッジ導波路と、
   前記非ドープ導波路とリッジ導波路の間にある少なくとも１つのドープ層とを含み、
   前記非ドープ導波路とリッジ導波路が協働して前記非ドープ導波路への光入力を増幅することを特徴とするモノリシック光増幅システム。
2. 前記非ドープ導波路がＡｌＧａＡｓを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記ドープ層がｎ−ＡｌＧａＡｓを含むことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
4. 前記ｎ−ＡｌＧａＡｓが１×１０^１８ｃｍ^−３程度ドープされていることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
5. 前記リッジ導波路がＩｎＧａＡｓを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. 前記リッジ導波路の上に位置するｐ−ＡｌＧａＡｓクラッドをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
7. 前記クラッドと前記ドープ層とが高濃度にドープされていることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
8. 少なくとも第２の非ドープ導波路と、
   前記第２の非ドープ導波路の上に位置する少なくとも第２のリッジ導波路と、
   前記第２の非ドープ導波路と第２のリッジ導波路の間にある少なくとも第２のドープ層とをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
9. 前記第１および第２の導波路が、光ファイバ及び少なくとも１つの平面導波路のうちの少なくとも１つを介して互いに光学的に結合されていることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. 光源及び光スイッチのうち少なくとも１つをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
    

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