JP2012004441A - 光増幅装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高次モードの光の出力が防止された光増幅装置を提供すること。
【解決手段】光通信波長帯域内の波長の光を増幅する活性層を有する導波路型の第１半導体光増幅器と、前記第１半導体光増幅器の光出力側に接続した、前記第１半導体光増幅器から出力された光を単一モード導波する曲げ半導体光導波路と、を備える。好ましくは、前記曲げ半導体光導波路は、ハイメサ型光導波路である。好ましくは、前記曲げ半導体光導波路の曲げの曲率半径が２１０μｍ以上６００μｍ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体光増幅器を備える光増幅装置に関するものである。

光通信においては、光ファイバの伝送損失、あるいはＡＷＧ(Arrayed Waveguide Grating)等の光コンポーネントの挿入損失を補償するために、低雑音で高利得な光増幅器が大変重要となる。近年、電流励起型の半導体光増幅器(ＳＯＡ:Semiconductor Optical Amplifier)は、Ｅｒ添加型光ファイバ増幅器(ＥＤＦＡ:Er-Doped Fiber Amplifier)とは異なり、ポンプレーザが不要であり、小型、かつ安価な光増幅器であるため、大変注目されてきている。また、半導体光増幅器は、その小型性のために、シリコン（Ｓｉ）導波路や平面光波回路（ＰＬＣ；Planar Lightwave Circuit)等の石英系光導波路とハイブリッド集積し、導波路損失の補償や光スイッチング等の機能を持たせることができる。なお、半導体光増幅器の開発当初は、ＥＤＦＡと比較すると飽和出力、雑音指数（ＮＦ：Noise Figure）の特性において劣っていたが、近年開発が進み、飽和出力、雑音指数の点でＥＤＦＡと遜色ない半導体光増幅器が報告されてきている(たとえば非特許文献１参照)。

また、従来の半導体光増幅器において、低雑音、高出力、および広帯域な特性を実現するために、活性層の量子井戸構造における井戸層厚、障壁層厚、およびメサ幅（活性層の幅）、またはバンドギャップが互いに異なる２つ以上の活性層の導波路を直列に接続したものが開示されている（たとえば特許文献１参照）。

特開２００５−４５２４７号公報

K. Morito et al., "A Broad-Band MQW Semiconductor Optical Amplifier With High Saturation Output Power and Low Noise Figure", IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 17, No. 5, pp.974-976, May 2005.

ところで、半導体光増幅器の低雑音化、高出力化のためには、活性層の幅を広くすることが好ましい。しかしながら、活性層の幅を広げると、半導体光増幅器が光をマルチモード導波し、高次モードの光が出力される場合がある。また、活性層の幅を広げない場合にも、半導体光増幅器に、たとえばメサ幅や層構造が活性層とは異なる導波路を接合したものをバットジョイント成長により作製すると、活性層と導波路との接合部分において放射光や反射光が発生し、この放射光や反射光が高次モードの光として外部に出力し、この半導体光増幅器に接続すべき他の素子や装置に悪影響を与えるおそれがあるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高次モードの光の出力が防止された光増幅装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光増幅装置は、光通信波長帯域内の所定波長の光を増幅する活性層を有する導波路型の第１半導体光増幅器と、前記第１半導体光増幅器の光出力側に接続した、前記第１半導体光増幅器から出力された光を単一モード導波する曲げ半導体光導波路と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る光増幅装置は、上記の発明において、前記曲げ半導体光導波路は、ハイメサ型光導波路であることを特徴とする。

また、本発明に係る光増幅装置は、上記の発明において、前記曲げ半導体光導波路の曲げの曲率半径が２１０μｍ以上６００μｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明に係る光増幅装置は、上記の発明において、前記第１半導体光増幅器と前記曲げ半導体光導波路との間に設けられたスポットサイズ変換器を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る光増幅装置は、上記の発明において、前記曲げ半導体光導波路の光出力側に接続した、前記所定波長の光を増幅する活性層を有する導波路型の第２半導体光増幅器をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明に係る光増幅装置は、上記の発明において、前記第１半導体光増幅器と前記第２半導体光増幅器とは、活性層構造、導波路のメサ幅および利得長が互いに異なることを特徴とする。

また、本発明に係る光増幅装置は、上記の発明において、前記第１半導体光増幅器および／または前記第２半導体光増幅器は、前記所定波長の光をマルチモード導波するものであることを特徴とする。

本発明によれば、高次モードの光の出力が防止された光増幅装置を実現できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る光増幅装置の模式的な構成図である。 図２は、図１に示す光増幅装置の半導体光増幅器およびスポットサイズ変換器を説明する図である。 図３は、図１に示す光増幅装置の曲げ半導体光導波路を説明する図である。 図４は、スポットサイズ変換器のクラッド部の幅の変化率と、スポットサイズ変換器と半導体光導波路との接続部で生じる放射損失との関係を示す図である。 図５は、図１に示す光増幅装置のＡ−Ａ線要部断面図である。 図６は、図１に示す光増幅装置のＢ−Ｂ線要部断面図である。 図７は、図１に示す光増幅装置のＣ−Ｃ線要部断面図である。 図８は、曲げ半導体光導波路の変形例を示す図である。 図９は、実施の形態２に係る光増幅装置の模式的な構成図である。 図１０は、曲げ半導体光導波路の曲げ部の曲率半径と曲げ損失との関係を示す図である。 図１１は、実施の形態３に係る光増幅装置の模式的な構成図である。 図１２は、実施の形態４に係る光増幅装置の模式的な構成図である。 図１３は、図１に示す光増幅装置の製造方法の一例の説明図である。 図１４は、図１に示す光増幅装置の製造方法の一例の説明図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る光増幅装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する構成要素には適宜同一の符号を付している。また、本明細書では、光通信波長帯域とは８５０ｎｍ〜１６３０ｎｍを意味するものとする。

（実施の形態１）
はじめに、本発明の実施の形態１に係る光増幅装置について説明する。本実施の形態１に係る光増幅装置は、光通信波長帯域内にある１５５０ｎｍ帯（１４６０〜１６３０ｎｍ）の信号光を光増幅できるものである。以下では、まず、本実施の形態１に係る光増幅装置の構成を説明し、つぎにその動作について説明する。

（構成）
図１は、本実施の形態１に係る光増幅装置の模式的な構成図である。図１に示すように、この光増幅装置１００は、基板Ｓ上にモノリシックに集積された第１半導体光増幅器としての半導体光増幅器１と、半導体光増幅器１の光出力側に接続した曲げ半導体光導波路３と、半導体光増幅器１と曲げ半導体光導波路３との間に設けられたスポットサイズ変換器２とを備えている。

半導体光増幅器１は信号光ＳＬ１を入力する光入力端面１００ａ側に配置し、曲げ半導体光導波路３は増幅された信号光ＳＬ２を出力する光出力端面１００ｂ側に配置している。また、光入力端面１００ａと光出力端面１００ｂとはたとえば劈開により形成され、表面にはそれぞれ反射防止膜が形成されている。また、半導体光増幅器１、スポットサイズ変換器２、曲げ半導体光導波路３はいずれも基板Ｓ上にメサ状に形成されているが、これらが製造時の組み立て作業中などに他の物との物理的接触によって壊れるのを防ぐために、光入力端面１００ａおよび光出力端面１００ｂに垂直な辺に沿ってサポート部４ａ、４ｂが形成されている。

つぎに、光増幅装置１００の各構成要素について具体的に説明する。図２は、光増幅装置１００の半導体光増幅器１およびスポットサイズ変換器２を説明する図である。図２に示すように、半導体光増幅器１は、長さＬ１を有している。また、半導体光増幅器１は、埋め込みメサ構造を有し、メサ幅Ｗ１を有する活性コア層１ａと、その周囲を囲み、幅Ｗ２を有するクラッド部１ｂとを備えている。半導体光増幅器１とサポート部４ａ、４ｂとはそれぞれ幅Ｗ３、Ｗ４だけ離間している。

スポットサイズ変換器２は、長さＬ２を有している。また、スポットサイズ変換器２は、埋め込みメサ構造を有し、メサ幅Ｗ５を有する受動コア層２ａと、その周囲を囲み、半導体光増幅器１側から連続して形成された、クラッド部１ｂと同じ幅から徐々に幅が縮小しているクラッド部２ｂ、幅Ｗ６を有するクラッド部２ｃ、およびクラッド部２ｃと同じ幅から徐々に幅が縮小している長さＬ５のクラッド部２ｄとを備えている。このクラッド部２ｄの長さ方向における、幅Ｗ６からメサ幅Ｗ５までの幅の変化率は、（Ｗ６-Ｗ５）＊０．５/Ｌ５で表すことができる。なお、この幅の変化率と、図２に示す角度θ４との関係は、ｔａｎθ４＝（Ｗ６-Ｗ５）＊０．５/Ｌ５で表される。また、クラッド部２ｂの外縁とクラッド部２ｂの前端面とのなす角である角度θ１は、７度以上であれば良い。これ以上角度θ１を小さくすると急激に電界モードが変換されるため、放射損失が増加する。

つぎに、図３は、光増幅装置１００の曲げ半導体光導波路３を説明する図である。図３に示すように、この曲げ半導体光導波路３は、メサ幅Ｗ７のハイメサ構造を有している。なお、ハイメサ構造とは、光を導波するコア層の両側面がエッチング等によって削られた構造を意味する。また、曲げ半導体光導波路３は、スポットサイズ変換器２側から順次接続した、長さＬ３を有する直線部３ａと、円弧状に屈曲している曲げ部３ｂと、長さＬ４を有する直線部３ｃとを備えている。曲げ部３ｂの曲率半径はたとえば１０００μｍである。直線部３ｃと直線部３ａの延長線ｌ１とのなす角度θ２はたとえば７〜１５度である。

なお、上記の幅および長さを例示すると、長さＬ１は５００〜２０００μｍであり、長さＬ２は１５〜５００μｍであり、長さＬ３は５０〜１０００μｍであり、長さＬ４は５０〜１０００μｍであり、長さＬ５は１０〜４５０μｍである。また、メサ幅Ｗ１は２．０〜５．０μｍであり、幅Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４はいずれも２０μｍであり、メサ幅Ｗ５、Ｗ７は２．０μｍであり、幅Ｗ６は３．５〜６．５μｍである。ここで、ｔａｎθ４＜０．０７、すなわち（Ｗ６-Ｗ５）＊０．５/Ｌ５＜０．０７の関係であれば、埋め込み部とハイメサ部との接続部で長さ方向に対して緩やかに電界モードが変換されるため、放射損失が低減される。
図４は、（Ｗ６-Ｗ５）＊０．５/Ｌ５で表されるクラッド部２ｄの幅の変化率と、スポットサイズ変換器２と半導体光導波路３との接続部で生じる放射損失との関係を示す図である。図４では、Ｗ５を２μｍ、Ｗ６を３．５μｍとし、Ｌ５の長さを変化させて、（Ｗ６-Ｗ５）＊０．５/Ｌ５の値を０．０１〜０．１３まで変化させている。図４のように、（Ｗ６-Ｗ５）＊０．５/Ｌ５＜０．０７であればスポットサイズ変換器２と半導体光導波路３との接続部における放射損失はほぼゼロに抑えられることがわかる。

つぎに、この光増幅装置１００の断面構造について説明する。図５は、図１に示す光増幅装置１００のＡ−Ａ線要部断面図であり、半導体光増幅器１の断面構造を示す。図５に示すように、半導体光増幅器１は、裏面にｎ側電極１０を形成したｎ型のＩｎＰからなる基板Ｓ上に、バッファ層としての役割も果たしているｎ型のＩｎＰからなる下部クラッド層１１と、活性コア層１ａと、ｐ型のＩｎＰからなる上部クラッド層１２、１３とが積層した構造を有している。基板Ｓの一部から上部クラッド層１３まではメサ構造となっており、その両側はｐ型のＩｎＰからなる下部電流阻止半導体層１４ａとｎ型のＩｎＰからなる上部電流阻止半導体層１４ｂとからなる埋め込み半導体層１４によって埋め込まれており、埋め込みメサ構造となっている。

また、上部クラッド層１３と埋め込み半導体層１４との上にはｐ型のＩｎＰからなる上部クラッド層１５、ｐ型のＩｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層１６が積層している。また、コンタクト層１６上には、活性コア層１ａ全体を覆うようにｐ側電極１７が形成され、またはＳｉＮ膜からなる誘電体保護膜１８で保護されている。さらに、誘電体保護膜１８に形成された開口部においてｐ側電極１７に接触するように、電極パッド１９が形成されている。

なお、図２に示すクラッド部１ｂは、活性コア層１ａを囲む埋め込み半導体層１４、下部クラッド層１１、および上部クラッド層１２、１３、１５により構成されている。

活性コア層１ａは、ＩｎＧａＡｓＰ材料からなり、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造の上下に３段階の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ：Separate Confinement Heterostructure）を形成したＭＱＷ−ＳＣＨ構造を有する。なお、ＭＱＷは例えば、６層の厚さ６ｎｍの井戸層と厚さ１０ｎｍの障壁層とが交互に積層された、いわゆる６ＱＷの構造を有する。

つぎに、図６は、図１に示す光増幅装置１００のＢ−Ｂ線要部断面図であり、スポットサイズ変換器２の断面構造を示す。図６に示すように、このスポットサイズ変換器２は、裏面にｎ側電極１０を形成した基板Ｓ上に、下部クラッド層１１と、バンドギャップ波長が１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰ材料からなる厚さ０．３μｍの受動コア層２ａと、上部クラッド層１２、１３とが積層し、基板Ｓの一部から上部クラッド層１３までのメサ構造が埋め込み半導体層１４によって埋め込まれている。また、上部クラッド層１３と埋め込み半導体層１４との上には上部クラッド層１５、コンタクト層１６が積層しており、さらに表面が誘電体保護膜１８で保護されている。なお、図２に示すクラッド部２ｂ、２ｃ、２ｄは、いずれも受動コア層２ａを囲む埋め込み半導体層１４、下部クラッド層１１、および上部クラッド層１２、１３、１５により構成されている。また、スポットサイズ変換器２は、Ｂ−Ｂ線に平行な断面においては図６に示すような断面構造を有するが、埋め込み半導体層１４の幅については、図２に示すクラッド部２ｂ、２ｃ、２ｄのそれぞれの幅に対応して、長手方向において変化している。

つぎに、図７は、図１に示す光増幅装置１００のＣ−Ｃ線要部断面図であり、曲げ半導体光導波路３の断面構造を示す。図７に示すように、この曲げ半導体光導波路３は、直線部３ａ、３ｃ、および曲げ部３ｂのいずれも、裏面にｎ側電極１０を形成した基板Ｓ上に、下部クラッド層１１と、バンドギャップ波長が１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰ材料からなる厚さ０．３μｍの受動コア層３ｄと、上部クラッド層１２、１３、１５、コンタクト層１６が積層し、ハイメサ構造を形成しており、さらに表面が誘電体保護膜１８で保護されている。

（動作）
つぎに、本実施の形態１に係る光増幅装置１００の動作について説明する。まず、図５に示す半導体光増幅器１のｎ側電極１０とｐ側電極１７との間に電極パッド１９を介して電圧を印加し、活性コア層１ａに電流を注入して励起状態とする。このように活性コア層１ａを励起状態とした上で、図１に示す光入力端面１００ａ側から波長１５５０ｎｍ帯の信号光ＳＬ１を半導体光増幅器１に入力し、活性コア層１ａを導波させて光増幅する。

スポットサイズ変換器２は、半導体光増幅器１から出力した信号光ＳＬ１を、受動コア層２ａにおいて導波する。ここで、スポットサイズ変換器２は、クラッド部２ｂ〜２ｄの幅が徐々に縮小するようになっている。これによって、スポットサイズ変換器２は、受動コア層２ａを導波する信号光ＳＬ１のスポットサイズを徐々に縮小させ、曲げ半導体光導波路３のスポットサイズに近づけるように変換する。なお、図２の符号Ｆ１、Ｆ２は、クラッド部２ｂとクラッド部２ｃとが隣接する境界面における光の分布形状であり、この境界面で光の分布形状が整合することを示している。また、図２に示した角度θ１が７度であれば、スポットサイズの急激な縮小による光の損失を防止することができるので好ましい。半導体光増幅器１と曲げ半導体光導波路３との間の結合損失については、活性コア層１ａが１５５０ｎｍ帯の光をマルチモード導波する場合は１ｄＢ以下であり、単一モード導波する場合は０．１ｄＢ以下である。

つぎに、曲げ半導体光導波路３は、スポットサイズを変換された信号光ＳＬ１を受動コア層３ｄにおいて導波する。

ここで、活性コア層１ａのメサ幅Ｗ１が２．８μｍより大きい場合、半導体光増幅器１は１５５０ｎｍ帯の光をマルチモード導波するため、半導体光増幅器１から出力される１５５０ｎｍ帯の光、すなわち、増幅された信号光ＳＬ１や活性コア層１ａ内で発生するＡＳＥ光（Amplified Spontaneous Emission：増幅された自然放出光）が高次モードを含むものとなる。また、活性コア層１ａのメサ幅Ｗ１が２．８μｍ以下であり、１５５０ｎｍ帯の光を単一モード導波する場合であっても、メサ幅が互いに異なる半導体光増幅器１の活性コア層１ａとスポットサイズ変換器２の受動コア層２ａとの接合部分において信号光ＳＬ１やＡＳＥ光をもとにして放射光や反射光が迷光として発生し、この迷光が高次モードの光として曲げ半導体光導波路３に出力するおそれがある。

しかしながら、曲げ半導体光導波路３は、信号光ＳＬ１やＡＳＥ光を単一モード導波するように受動コア層３ｄのメサ幅Ｗ７が設定されており、かつ曲げ部３ｂを有するので、高次モードの光は曲げ半導体光導波路３を導波中に徐々に放射され、特に曲げ部３ｂにおいて十分に放射される。その結果、高次モードの光は曲げ半導体光導波路３を介して光増幅装置１００の外部に出力されず、図１に示すように出力される増幅された信号光ＳＬ２やＡＳＥ光は、高次モードの光を含まないものとなる。特に、曲げ半導体光導波路３における角度θ２が７〜１５度であれば、曲げ部３ｂにおいて放射される高次モードの光が信号光ＳＬ２と十分に分離されるので好ましい。

以上説明したように、本実施の形態１に係る光増幅装置１００は、高次モードの光の出力が防止されたものとなる。

なお、上記実施の形態１に係る光増幅装置１００の曲げ半導体光導波路３は、曲げ部３ｂが円弧状に屈曲しているが、鈍角的に屈曲していてもよい。

図８は、曲げ半導体光導波路の変形例を示す図である。図８に示すように、この曲げ半導体光導波路６において、直線部６ｂと直線部６ａの延長線ｌ２とのなす角である角度θ３は、たとえば７〜１５度である。また、この曲げ半導体光導波路６の屈曲形状を屈曲点で接する円弧により最小二乗法で近似した場合に、その円弧の曲率半径はたとえば１０００μｍである。

（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２に係る光増幅装置について説明する。図９は、本実施の形態２に係る光増幅装置の模式的な構成図である。図９に示すように、この光増幅装置２００は、基板Ｓ上にモノリシックに集積された半導体光増幅器１と、半導体光増幅器１の光出力側に接続した曲げ半導体光導波路２１と、半導体光増幅器１と曲げ半導体光導波路２１との間に設けられたスポットサイズ変換器２とを備えている。半導体光増幅器１およびスポットサイズ変換器２は実施の形態１と同様のものである。また、光増幅装置２００はサポート部２２ａ、２２ｂを備えている。

曲げ半導体光導波路２１は、スポットサイズ変換器２側から順次接続した直線部２１ａと、Ｕ字状に屈曲している曲げ部２１ｂと、直線部２１ｃとを備えている。また、曲げ半導体光導波路２１は、実施の形態１の曲げ半導体光導波路３と同様のハイメサ構造を有しており、そのメサ幅は、信号光ＳＬ１やＡＳＥ光を単一モード導波するように、たとえば２．０μｍに設定されている。

この光増幅装置２００は、曲げ半導体光導波路２１がＵ字状に折り返しているために、全体的にコンパクトな形状となる。また、１つの光入出力端面２００ａが、半導体光増幅器１に信号光ＳＬ１を入力するための光入力端面と、曲げ半導体光導波路２１から増幅した信号光ＳＬ２を出力するための光出力端面とを兼ねている。したがって、劈開により形成し、表面に反射防止膜を形成すべき端面が実施の形態１の場合よりも少ないため、製造性が高いものとなる。

また、曲げ半導体光導波路２１の曲げ部２１ｂの曲率半径は２１０μｍ以上６００μｍ以下が好ましい。図１０は、曲げ半導体光導波路２１の曲げ部２１ｂの曲率半径と波長１５５０ｎｍにおける曲げ損失との関係を示す図である。図１０に示すように、曲率半径が２１０μｍ以上６００μｍ以下であれば、基本モードの光の曲げ損失が小さく、高次モードの光の曲げ損失が急激に大きくなる領域であるため、高次モードの光は曲げ半導体光導波路２１を導波中に、いっそう効果的に放射される。たとえば、曲率半径が２１０μｍの場合には、基本モードの曲げ損失は約１ｄＢ／ｍｍであるが、高次モードの曲げ損失は８０ｄＢ／ｍｍ以上である。その結果、本実施の形態２に係る光増幅装置２００は、高次モードの光の出力がより確実に防止されたものとなる。

（実施の形態３）
つぎに、本発明の実施の形態３に係る光増幅装置について説明する。本実施の形態３に係る光増幅装置は、活性層の構成が互いに異なる２つの半導体光増幅器１を備えるものである。

図１１は、本実施の形態３に係る光増幅装置の模式的な構成図である。図１１に示すように、この光増幅装置３００は、基板Ｓ上に、実施の形態１と同様の第１半導体増幅器としての半導体光増幅器１、スポットサイズ変換器２、および曲げ半導体光導波路３を備え、さらに、曲げ半導体光導波路３に順次接続した、直線半導体光導波路３３と、スポットサイズ変換器３２と、第２半導体光増幅器としての半導体光増幅器３１とを備えている。

半導体光増幅器１は信号光ＳＬ１を入力する光入力端面３００ａ側に配置し、半導体光増幅器３１は増幅された信号光ＳＬ２を出力する光出力端面３００ｂ側に配置している。また、光入力端面３００ａと光出力端面３００ｂとはたとえば劈開により形成され、表面にはそれぞれ反射防止膜が形成されている。また、光増幅装置３００はサポート部３４ａ、３４ｂを備えている。

直線半導体光導波路３３は、曲げ半導体光導波路３の直線部３ａと同様の構成を有しており、直線部３ｃとは鈍角をなして接続している。直線部３ｃと直線半導体光導波路３３とが形成する屈曲形状を屈曲点で接する円弧により最小二乗法で近似した場合に、その円弧の曲率半径はたとえば１０００μｍである。また、スポットサイズ変換器３２は、スポットサイズ変換器２と同様の構成を有している。

ここで、半導体光増幅器３１は、半導体光増幅器１と同様の断面構造およびメサ幅を有するが、その活性コア層については、半導体光増幅器１の活性コア層１ａよりも、井戸層の厚さが薄く、かつ井戸数が少ない構造を有するものとする。たとえば、半導体光増幅器１の活性コア層１ａを、上述したように６層の厚さ６ｎｍの井戸層と厚さ１０ｎｍの障壁層とから構成される６ＱＷ−ＳＣＨとすると、半導体光増幅器３１の活性コア層は、３層の厚さ４ｎｍの井戸層と厚さ１０ｎｍの障壁層とから構成される４ＱＷ−ＳＣＨ構造を有するものとする。

このように、信号光ＳＬ１の入力側の半導体光増幅器１において量子井戸数が多く、井戸層厚が厚い活性コア層に設定し、信号光ＳＬ２の出力側の半導体光増幅器３１において量子井戸数が少なく、井戸層厚が薄い活性コア層に設定することによって、入力側では高閉じ込め係数、高利得係数、出力側では低閉じ込め係数、低利得係数が実現され、高い飽和光出力が得られる。

ところで、このように構造が異なる活性コア層を直接接合すると、その接合部分において放射光や反射光が発生する。特に、一方または両方の活性コア層が光をマルチモード導波する構造になっている場合は、２つの活性コア層間にモード不整合が生じ、放射光が発生する。この放射光や反射光、さらには各活性コア層において発生したＡＳＥ光が、高次モードの光として互いの活性コア層に入力して、増幅された信号光の強度や光Ｓ／Ｎの低下の原因となる。また、活性コア層の利得特性は反射光の存在に敏感であり、たとえば反射光の存在によって利得波長特性にリップルが発生したりするので、接合部分における反射率を、極力、たとえば−５０ｄＢ以下のレベルに低減することが望ましいが、困難である。

これに対して、本実施の形態３に係る光増幅装置３００は、曲げ半導体光導波路３と、曲げ半導体光導波路３に対して屈曲して接続した直線半導体光導波路３３と、２つのスポットサイズ変換器２、３２とを介して、構造が異なる活性コア層を有する半導体光増幅器１、３１が接続しているので、高次モードの光は半導体光増幅器１、３１間で放射される。その結果、高次モードの光の各活性コア層への入力は防止され、増幅された信号光の強度や光Ｓ／Ｎの低下が防止される。また、利得波長特性におけるリップルの発生も防止されるため、増幅された信号光の強度が安定する。

たとえば、上述したような井戸層厚／障壁層厚が６ｎｍ／１０ｎｍの６ＱＷ−ＳＣＨ構造で長さ（利得長）２ｍｍ、メサ幅４μｍの活性コア層を有する半導体光増幅器（ＳＯＡ１とする）と、井戸層厚／障壁層厚が６ｎｍ／１０ｎｍの６ＱＷ−ＳＣＨ構造で長さ（利得長）１ｍｍ、メサ幅４μｍの活性コア層と井戸層厚／障壁層厚が４ｎｍ／１０ｎｍの３ＱＷ−ＳＣＨ構造で長さ（利得長）１ｍｍ、メサ幅４μｍの活性コア層とを直接接合した構造を有する半導体光増幅器（ＳＯＡ２とする）とを比較する。このＳＯＡ１とＳＯＡ２とにそれぞれ１０００ｍＡの電流を流し、波長１５５０ｎｍで光強度０ｄＢｍの信号光を入力させると、利得長が同じでありながら、構造が異なる２種の活性コア層を接合したＳＯＡ２のほうが、増幅された信号光の強度が、計算上３ｄＢほど高くなる。しかしながら、実際にＳＯＡ２を作製してみると、異種の活性コア層の界面で放射光の発生による光損失が３ｄＢあり、かつ反射率も−３０ｄＢ以上あるため、異種の活性コア層を接合した構造の採用による光強度の向上効果が相殺される。ＳＯＡ２の場合は、異種の活性コア層がともに光をマルチモード導波するようなメサ幅であり、各活性コア層で励起されるモードが異なるため、基本モードと高次モードとのモード不整合により３ｄＢ程度という大きな放射光損失が発生しているものと考えられる。

これに対して、本実施の形態３のように、異種の活性コア層を曲げ半導体光導波路および２つのスポットサイズ変換器を介して接合した構造の半導体光増幅器であれば、異種の活性コア層がともに光をマルチモード導波するようなメサ幅であっても、曲げ半導体光導波路の作用によって、光出力側の活性コア層で励起されるのは基本モードとなるので、モード不整合による大きな放射光損失は発生しないものとなる。

以上説明したように、本実施の形態３に係る光増幅装置３００は、安定した高い飽和光出力を実現できる。

なお、本実施の形態３では、半導体光増幅器１と半導体光増幅器３１とで活性コア層の活性層構造が互い異なるが、導波路幅（メサ幅）が異なっていてもよい。また、活性コア層の利得長が互いに異なっていてもよい。

（実施の形態４）
つぎに、本発明の実施の形態４に係る光増幅装置について説明する。図１２は、本実施の形態４に係る光増幅装置の模式的な構成図である。図１２に示すように、この光増幅装置４００は、基板Ｓ上にモノリシックに集積された、順次接続された半導体光増幅器１と、スポットサイズ変換器２と、曲げ半導体光導波路４１と、スポットサイズ変換器３２と、半導体光増幅器３１とを備えている。半導体光増幅器１、３１およびスポットサイズ変換器２、３２は実施の形態３のものと同様のものである。また、光増幅装置４００はサポート部４２ａ、４２ｂを備えている。

曲げ半導体光導波路４１は、スポットサイズ変換器２側から順次接続した直線部４１ａと、Ｕ字状に屈曲している曲げ部４１ｂと、直線部４１ｃとを備えている。また、曲げ半導体光導波路４１は、実施の形態２の曲げ半導体光導波路２１と同様のハイメサ構造を有しており、そのメサ幅は、信号光ＳＬ１やＡＳＥ光を単一モード導波するように、たとえば２．０μｍに設定されている。

この光増幅装置４００も、実施の形態２の光増幅装置２００と同様に、曲げ半導体光導波路４１がＵ字状に折り返しているために、全体的にコンパクトな形状となる。また、信号光ＳＬ１、ＳＬ２に対して、共通の光入出力端面４００ａを用いているため、製造性が高いものとなる。また、曲げ半導体光導波路４１の曲げ部４１ｂの曲率半径については、２１０μｍ以上６００μｍ以下であれば、高次モードの光の出力がより確実に防止されたものとなる。

（製造方法）
つぎに、本発明に係る光増幅装置の製造方法を、図１に示した実施の形態１に係る光増幅装置１００を製造する場合を例にして説明する。図１３、図１４は、図１に示す光増幅装置１００の製造方法の一例の説明図である。

まず、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）結晶成長装置を用い、成長温度６００℃において以下のような結晶成長を行なう。すなわち、図１３（ａ）に示すように、ｎ型のＩｎＰからなる基板Ｓ上に、ｎ型のＩｎＰからなる下部クラッド層１１、活性コア層１ａ、ｐ型のＩｎＰからなる上部クラッド層１２、１３を順次結晶成長する。

つぎに、ＳｉＮからなるマスクＭ１で半導体光増幅器１を形成すべき領域のみを覆い、それ以外の領域において、ＩＣＰ（Inductive Coupled Plasma：誘導結合プラズマ)−ＲＩＥ装置により、上部クラッド層１２、１３と、活性コア層１ａと、下部クラッド層１１の０．３μｍの深さまでをエッチング除去する。そして、エッチング除去した領域に、バットジョイント成長により、ＩｎＰからなる下部クラッド層１１の部分と、バンドギャップ波長が１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰ材料からなる受動コア層２ａ、３ｄと、ＩｎＰからなる上部クラッド層１２、１３とを形成する。なお、このとき成長させる各半導体層はノンドープとする。エッチング後にはマスクＭ１をＢＨＦ(バッファードフッ酸)により除去する。

つづいて、図５に示す断面図に則して説明する。まず、図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、上部クラッド層１３上の全面にＳｉＮ膜からなるマスクＭ２を形成し、このマスクＭ２を、図１に示す半導体光増幅器１、スポットサイズ変換器２、曲げ半導体光導波路３の形状を含むような形状にエッチングする。そして、図１４（ｃ）に示すように、マスクＭ２を形成した以外の領域の上部クラッド層１３、１２、活性コア層１ａおよび受動コア層２ａ、３ｄ、下部クラッド層１１を、塩素系またはメタン水素系のガスを用いたドライエッチングによって除去する。つづいて、図１４（ｄ）に示すように、ウェットエッチングを用いて、さらに上部クラッド層１３から基板Ｓの一部に到る深さまでをエッチングし、図５に示す導波路構造のメサ構造を形成する。

つぎに、図１４（ｅ）に示すように、下部電流阻止半導体層１４ａと上部電流阻止半導体層１４ｂとを順次形成して埋め込み半導体層１４を形成し、メサ構造を埋め込む。その後、ＢＨＦにより、マスクＭ２を除去する。つぎに、図１４（ｆ）に示すように、全領域において上部クラッド層１５、コンタクト層１６を形成し、さらに必要に応じて保護層であるキャップ層Ｃapを形成する。キャップ層Ｃapはその後、図１４（ｇ）に示すように除去される。

つぎに、全面にＳｉＮ膜からなるマスクＭ３を形成し、このマスクＭ３を、図１に示す半導体光増幅器１、スポットサイズ変換器２、曲げ半導体光導波路３の形状にエッチングする。つづいて、マスクＭ３を形成した以外の領域の上部クラッド層１３、１２、活性コア層１ａおよび受動コア層２ａ、３ｄ、下部クラッド層１１、ならびに基板Ｓの一部を、塩素系またはメタン水素系のガスを用いたドライエッチングによって除去し、図１に示す半導体光増幅器１、スポットサイズ変換器２、曲げ半導体光導波路３の形状を形成する。なお、図１４（ｈ）は、スポットサイズ変換器２の形状を形成した後の、図６に示す断面の状態を示している。

つぎに、全面に誘電体保護膜１８を形成した後、フォトリソグラフィ工程と蒸着・リフトオフ工程とを行い、ＡｕＺｎからなるｐ側電極１７とＴｉ／Ｐｔからなる電極パッド１９を形成する。最後に、基板Ｓの裏面全面を研磨し、研磨した裏面にＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ膜を蒸着してｎ側電極１０を形成した後、オーミックコンタクトをとるために４３０℃で焼結（シンタ）する。その後、光入力端面１００ａ、光出力端面１００ｂを形成するために劈開を行い、劈開面に反射防止膜を施し、光増幅装置１００が完成する。

なお、上記実施の形態に係る光増幅装置は、１５５０ｎｍ帯用にその化合物半導体や電極等の材料、サイズ等が設定されている。しかしながら、各材料やサイズ等は、光通信波長帯域内の増幅すべき光の波長に応じて適宜設定でき、特に限定はされない。

また、上記実施の形態に係る光増幅装置では、曲げ半導体光導波路はハイメサ構造であるが、埋め込めメサ構造でもよい。また、半導体光増幅器と曲げ半導体光導波路が小さい接続損失で接続できる場合には、スポットサイズ変換器を設けなくてもよい。また、実施の形態３、４に係る光増幅装置において、２つの半導体光増幅器は異なるものであるが、２つの半導体光増幅器を同一のものとしてもよい。

また、上記各実施形態の各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。たとえば、実施の形態１における曲げ半導体光導波路３の曲げ部３ｂの曲率半径を、実施の形態２の曲げ半導体光導波路２１の曲げ部２１ｂの曲率半径と同様に２１０μｍ以上６００μｍとしてもよい。

１、３１ 半導体光増幅器
１ａ 活性コア層
１ｂ クラッド部
２、３２ スポットサイズ変換器
２ａ、３ｄ 受動コア層
２ｂ〜２ｄ クラッド部
３、６、２１、４１ 曲げ半導体光導波路
３ａ、３ｃ、６ａ、６ｂ、２１ａ、２１ｃ、４１ａ、４１ｃ 直線部
３ｂ、２１ｂ、４１ｂ 曲げ部
４ａ、４ｂ、２２ａ、２２ｂ、３４ａ、３４ｂ、４２ａ、４２ｂ サポート部
１０ ｎ側電極
１１ 下部クラッド層
１２、１３ 上部クラッド層
１４ 埋め込み半導体層
１４ａ 下部電流阻止半導体層
１４ｂ 上部電流阻止半導体層
１５ 上部クラッド層
１６ コンタクト層
１７ ｐ側電極
１８ 誘電体保護膜
１９ 電極パッド
３３ 直線半導体光導波路
１００〜４００ 光増幅装置
１００ａ、３００ａ 光入力端面
１００ｂ、３００ｂ 光出力端面
２００ａ、４００ａ 光入出力端面
Ｃap キャップ層
Ｆ１、Ｆ２ 光の分布形状
ｌ１、ｌ２ 延長線
Ｍ１〜Ｍ３ マスク
Ｓ 基板
ＳＬ１、ＳＬ２ 信号光

Claims (7)

1. 光通信波長帯域内の所定波長の光を増幅する活性層を有する導波路型の第１半導体光増幅器と、
   前記第１半導体光増幅器の光出力側に接続した、前記第１半導体光増幅器から出力された光を単一モード導波する曲げ半導体光導波路と、
   を備えることを特徴とする光増幅装置。
2. 前記曲げ半導体光導波路は、ハイメサ型光導波路であることを特徴とする請求項１に記載の光増幅装置。
3. 前記曲げ半導体光導波路の曲げの曲率半径が２１０μｍ以上６００μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の光増幅装置。
4. 前記第１半導体光増幅器と前記曲げ半導体光導波路との間に設けられたスポットサイズ変換器を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光増幅装置。
5. 前記曲げ半導体光導波路の光出力側に接続した、前記所定波長の光を増幅する活性層を有する導波路型の第２半導体光増幅器をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光増幅装置。
6. 前記第１半導体光増幅器と前記第２半導体光増幅器とは、活性層構造、導波路のメサ幅および利得長が互いに異なることを特徴とする請求項５に記載の光増幅装置。
7. 前記第１半導体光増幅器および／または前記第２半導体光増幅器は、前記所定波長の光をマルチモード導波するものであることを特徴とする請求項５または６に記載の光増幅装置。

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