JP2018206899A - 光増幅器及び光増幅回路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力を増大させることなく、入力される入力光の偏波方向がランダムに変化しても、出力される光の強度の変動を抑制される光増幅器を提供する。【解決手段】第１の半導体基板の上に形成された偏波ローテータを含む光回路素子３０と、前記光回路素子３０の入力側に設置された第１の半導体光増幅素子１０と、前記光回路素子３０の出力側に設置された第２の半導体光増幅素子２０と、を有し、前記第１の半導体光増幅素子１０及び前記第２の半導体光増幅素子２０は、前記第１の半導体基板の上に設置されており、前記第１の半導体光増幅素子１０及び前記第２の半導体光増幅素子２０は、前記第１の半導体基板の端部の近傍に設置されていることを特徴とする光増幅器により上記課題を解決する。【選択図】図３

Description

本発明は、光増幅器及び光増幅回路装置に関するものである。

小型の光アンプとして、半導体光増幅素子（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）が知られている。ＳＯＡはＴＥ偏波とＴＭ偏波の増幅率が大きく異なっている。このため、光増幅器では、入力光をＴＥ偏波とＴＭ偏波とに分岐して、ＴＥ偏波はＴＥ偏波のまま、ＴＭ偏波はＴＥ偏波に変換してから、ＳＯＡに入力する偏波ダイバーシティ回路が用いられている。このように、偏波ダイバーシティ回路が用いられている光増幅器では、ＴＭ偏波はＴＥ偏波に変換してからＳＯＡに入力されるため、偏波方向に起因する光利得の差を小さくすることができる。

特開２００１−７４５０号公報 特開平５−３７００６号公報 特開平１−２９８７８５号公報 特開２００３−３１５８５８号公報

上述した偏波ダイバーシティ回路が用いられている光増幅器では、入力光のＴＥ偏波成分とＴＭ偏波成分の比率が均等であれば、同じ増幅率で増幅することができる。しかしながら、入力光のＴＥ偏波成分とＴＭ偏波成分とがランダムに変化し、一方が他方よりも極端に大きくなると、一方と他方の増幅率に違いが生じる場合がある。即ち、光増幅器に入力される入力光の偏波方向がランダムに変化すると、光増幅器から出力される光の強度も変動するため、信号のエラーの原因となる。このため、ＳＯＡに供給する電流を増やすことにより、一方と他方の増幅率を同じにする方法が考えられるが、この場合、ＳＯＡに供給する電流が増えると消費電力が増大するため好ましくない。

よって、消費電力を増大させることなく、光増幅器に入力される入力光の偏波方向がランダムに変化しても、出力される光の強度に変動のない光増幅器であって、良好な特性を得ることができ、低コストで製造することのできるものが求められている。

１つの態様では、光増幅器は、第１の半導体基板の上に形成された偏波ローテータを含む光回路素子と、前記光回路素子の入力側に設置された第１の半導体光増幅素子と、前記光回路素子の出力側に設置された第２の半導体光増幅素子と、を有し、前記第１の半導体光増幅素子及び前記第２の半導体光増幅素子は、前記第１の半導体基板の上に設置されており、前記第１の半導体光増幅素子及び前記第２の半導体光増幅素子は、前記第１の半導体基板の端部の近傍に設置されていることを特徴とする。

１つの側面として、消費電力を増大させることなく、光増幅器に入力される入力光の偏波方向がランダムに変化しても、出力される光の強度の変動が抑制される光増幅器であって、良好な特性を得ることができるものを低コストで製造することができる。

光増幅器の構造図 光増幅器の要部断面図 第１の実施の形態における光増幅器の構造図 第１の実施の形態における光増幅器の要部断面図 光導波路の説明図 ＳＯＡの説明図 偏波ローテータの説明図 光増幅回路装置の説明図 位相シフタの説明図 偏波スプリッタ及び偏波コンバイナの説明図 第２の実施の形態における光増幅回路装置の構造図 第３の実施の形態における光増幅回路装置の構造図 第１の実施の形態における光増幅器の変形例の構造図 第３の実施の形態における光増幅回路装置の変形例の構造図

実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。尚、本願の図面に示される各々の層の膜厚については、説明の便宜上、正確な膜厚が反映されていない場合がある。

〔第１の実施の形態〕
最初に、偏波ダイバーシティ回路が用いられている光増幅器について、図１に基づき説明する。図１に示される光増幅器は、偏波スプリッタ９１０、第１の偏波ローテータ９２０、第１のＳＯＡ９３０、第２のＳＯＡ９４０、第２の偏波ローテータ９５０、偏波コンバイナ９６０等を有している。偏波スプリッタ９１０と偏波コンバイナ９６０との間には、２つの光導波路９７１、９７２が形成されている。偏波スプリッタ９１０の一方からは、一方の光導波路９７１により、第１のＳＯＡ９３０、第２の偏波ローテータ９５０、偏波コンバイナ９６０が順に接続されている。また、偏波スプリッタ９１０の他方からは、他方の光導波路９７２により、第１の偏波ローテータ９２０、第２のＳＯＡ９４０、偏波コンバイナ９６０が順に接続されている。第１のＳＯＡ９３０及び第２のＳＯＡ９４０は、ＴＥ偏波を増幅する機能を有する。

この光増幅器に入力される入力光は、ＴＥ偏波成分となるＴＥα偏波とＴＭ偏波成分となるＴＭβ偏波とを含んでいる。図１に示される光増幅器に、入力光を入力すると、入力光は、偏波スプリッタ９１０において、ＴＥα偏波とＴＭβ偏波とに分離され、ＴＥα偏波は一方の光導波路９７１に出力され、ＴＭβ偏波は他方の光導波路９７２に出力される。

一方の光導波路９７１に出力されたＴＥα偏波は、第１のＳＯＡ９３０において増幅された後、第２の偏波ローテータ９５０において、ＴＥα偏波からＴＭ偏波成分となるＴＭα偏波に変換され、偏波コンバイナ９６０の一方の側に入力される。また、他方の光導波路９７２に出力されたＴＭβ偏波は、第１の偏波ローテータ９２０において、ＴＭβ偏波からＴＥ偏波成分となるＴＥβ偏波に変換され、第２のＳＯＡ９４０において増幅された後、偏波コンバイナ９６０の他方の側に入力される。偏波コンバイナ９６０の一方に入力されたＴＭα偏波と他方に入力されたＴＥβ偏波は、偏波コンバイナ９６０において合波され、増幅光として出力される。

一般に、ＳＯＡは、入力光の強度が比較的小さいときには、光利得が一定の線形の増幅動作が得られるが、入力光の強度が増加すると光利得が次第に減少し、ＳＯＡから出力される出力光の強度は飽和する。このように光利得が低下し始めるときのＳＯＡから出力される光出力の強度を、そのＳＯＡの飽和出力と呼ぶ。通常、ＳＯＡにより光信号を増幅する際には、線形の増幅動作が得られるように、ＳＯＡに供給される電流密度を十分に大きくし、想定されるＳＯＡへの入力光強度に対して、ＳＯＡの飽和出力を余裕を持って大きく設定している。

即ち、図１に示される光増幅器に入力する入力光は、任意の偏波状態であると、偏波スプリッタ９１０において分波されるＴＥα偏波とＴＭβ偏波との比率も任意となり、最も極端な場合には、入力光の全てが一方の偏波成分に偏る場合がある。このように、入力光の全てが一方の偏波成分に偏っている場合、出力光が所望の増幅率で増幅されない場合があり、出力光の強度が変動してしまう。

このような場合においても、光利得の線形領域において増幅動作を行うためには、第１のＳＯＡ９３０及び第２のＳＯＡ９４０で、光利得の線形領域において増幅動作を行うことができるように、飽和出力を高くする必要がある。このように、飽和出力を高くするためには、第１のＳＯＡ９３０及び第２のＳＯＡ９４０に供給する電流を増やす必要があるが、この場合、消費電力が増大してしまう。

また、図１に示される光増幅器を製造する際には、図２に示されるように、第１のＳＯＡ９３０における光導波路となる多重量子井戸活性層９８１の入射側と出射側において、一方の光導波路９７１との位置合わせを行いフリップチップ実装される。具体的には、Ｓｉ基板９０１の上には、クラッド９０２により覆われたコア９０３により一方の光導波路９７１及び他方の光導波路９７２等が形成されている。このＳｉ基板９０１には、凹部９０１ａが形成されており、この凹部９０１ａの底面９０１ｂの上に、バンプ９８２を介し、第１のＳＯＡ９３０を取り付ける。この際、一点鎖線２Ａに囲まれた部分の一方の光導波路９７１の出射側の端面９７１ａの位置と第１のＳＯＡ９３０の多重量子井戸活性層９８１の入射側の端面９８１ａの位置とを一致させる。また、これとともに、一点鎖線２Ｂに囲まれた部分の多重量子井戸活性層９８１の出射側の端面９８１ｂの位置と一方の光導波路９７１の入射側の端面９７１ｂの位置とを一致させる。

これらの位置がずれていると光結合損失が大きくなることから、第１のＳＯＡ９３０を設置する際には、２箇所の位置を厳密に合わせることが必要となる。しかしながら、２箇所の位置を同時に厳密に位置合わせを行うことは、極めて困難であり、位置合わせに多大な時間を要してしまう。

このことは、第２のＳＯＡ９４０を設置する際も同様である。この場合にも、他方の光導波路９７２の端面の位置と第２のＳＯＡ９４０の多重量子井戸活性層の入射側の端面の位置とを一致させ、第２のＳＯＡ９４０の多重量子井戸活性層の出射側の端面の位置と他方の光導波路９７２の端面の位置とを一致させる。この場合も、２箇所の位置を同時に厳密に位置合わせを行うことが必要となるが、このような位置合わせは、極めて困難であり、位置合わせに多大な時間を要してしまう。尚、第１のＳＯＡ９３０及び第２のＳＯＡ９４０の位置がずれていると、光結合損失が大きくなるため、光増幅器としての特性が低下してしまう。

従って、図１に示される光増幅器を製造しようとした場合、良好な特性が得られる光増幅器を製造することが困難であり、製造には時間と労力を要するとともに、歩留まりも低くなるため、光増幅器が高コストなものとなってしまう。このため、消費電力を増大させることなく、光増幅器に入力される入力光の偏波方向がランダムに変化しても、出力される光の強度の変動のない光増幅器であって、良好な特性を得ることができ、低コストで製造することのできるものが求められている。

（第１の実施の光増幅器）
第１の実施の形態における光増幅器について、図３及び図４に基づき説明する。本実施の形態における光増幅器は、第１のＳＯＡ１０、第２のＳＯＡ２０、偏波ローテータ３０等を有しており、１枚のＳｉ基板１０１の上に形成されている。尚、図３は、本実施の形態における光増幅器の上面図であり、図４は、本実施の形態における光増幅器において、第１のＳＯＡ１０と光導波路７０との接合部分の断面図である。

本実施の形態においては、Ｓｉ基板１０１の上には、クラッド１０２に覆われた光導波路７０等となるコア１０３が形成されている。クラッド１０２は酸化シリコンにより形成されており、光導波路７０等となるコア１０３はシリコン（Ｓｉ）により形成されている。本実施の形態においては、第１のＳＯＡ１０は、Ｓｉ基板１０１の一方の端部１０１ａ近傍に設置されており、入力光が入力され、第２のＳＯＡ２０は、他方の端部１０１ｂ近傍に設置されており、出力光が出力される。

次に、本実施の形態における光増幅器に、入力光が入力した場合について説明する。本実施の形態における光増幅器に入力される入力光は、ＴＥ偏波成分となるＴＥα偏波とＴＭ偏波成分となるＴＭβ偏波とを含んでいる。また、第１のＳＯＡ１０及び第２のＳＯＡ２０は、ＴＥ偏波を増幅する機能を有している。

本実施の形態における光増幅器の第１のＳＯＡ１０に、ＴＥα偏波とＴＭβ偏波とを含む入力光が入力すると、第１のＳＯＡ１０によりＴＥα偏波が増幅されて、ＴＭβ偏波とともに出力され、光導波路７０に入力する。光導波路７０に入力した光は、偏波ローテータ３０により、ＴＥα偏波はＴＭα偏波に、ＴＭβ偏波はＴＥβ偏波に変換され、第２のＳＯＡ２０に入力する。第２のＳＯＡ２０に入力されたＴＭα偏波とＴＥβ偏波とを含む入力光は、第２のＳＯＡ２０によりＴＥβ偏波が増幅されて、ＴＭβ偏波とともに出力される。これにより、本実施の形態における光増幅器に入力したＴＥα偏波とＴＭβ偏波とを含む入力光は、ＴＥ成分の光及びＴＭ成分の光がともに増幅され、ＴＭα偏波とＴＥβ偏波を含む出力光として出力される。尚、第１のＳＯＡ１０と第２のＳＯＡ２０は同一の構造を有しており、同じ電流量の電流を流すことにより、均一な利得を得ることができる。

（光増幅器の詳細）
次に、本実施の形態における光増幅器についてより詳細に説明する。

図５に基づき光導波路について説明する。図５は、光導波路７０の断面図であり、図３における一点鎖線３Ａ−３Ｂにおいて切断した断面図である。本実施の形態における光増幅器は、Ｓｉ基板１０１の上に形成されており、光が伝搬する光導波路７０は、Ｓｉにより形成されたコア１０３により形成されており、コア１０３の周囲は、酸化シリコンにより形成されたクラッド１０２により覆われている。コア１０３の光が伝搬する方向に垂直な断面は、幅Ｗ１が約０．５μｍ、厚さｔ１が約２００ｎｍとなるように形成されている。コア１０３は、Ｓｉ基板１０１の上の厚さｔ２が約２μｍのクラッド１０２の上に形成されており、コア１０３の上及び横には、クラッド１０２が形成されており、コア１０３の上のクラッド１０２の厚さｔ３は、約３μｍである。

次に、第１のＳＯＡ１０及び第２のＳＯＡ２０について説明する。図６は、第１のＳＯＡ１０の断面図であり、図３における一点鎖線３Ｃ−３Ｄに相当する部分の断面図である。

第１のＳＯＡ１０は、ｎ−ＩｎＰ基板１３１の上に形成されており、光導波路となるコアは、ｎ−ＩｎＰ基板１３１の上の多重量子井戸（ＭＱＷ：multi quantum well）活性層１３２により形成されている。具体的には、多重量子井戸活性層１３２は、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰを交互に積層したＭＱＷにより形成されており、波長１．５５μｍ帯に利得を有している。多重量子井戸活性層１３２は、断面の幅Ｗ２が約１．５μｍ、厚さｔ４が約３００ｎｍのストライプ状に形成されており、多重量子井戸活性層１３２の両側は、半絶縁性のＩｎＰ（ＳＩ−ＩｎＰ）により形成された埋め込み層１３３により埋め込まれている。多重量子井戸活性層１３２の上には、ｐ−ＩｎＰ層１３４、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ等により形成されたコンタクト層１３５が積層されている。

本実施の形態においては、ｎ−ＩｎＰ基板１３１及びｐ−ＩｎＰ層１３４はクラッドとして機能するものであり、コンタクト層１３５の上には、Ｐ電極１３６が形成されており、ｎ−ＩｎＰ基板１３１の裏面にはＮ電極１３７が形成されている。Ｐ電極１３６は、できるたけコンタクト層１３５のみと接するように、埋め込み層１３３の上には、酸化シリコン等によりパッシベーション膜１３８が形成されている。

このような第１のＳＯＡ１０は、図４に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板１３１側が上になるように、上下反転させて取り付けられている。図４は、第１のＳＯＡ１０を一方の光導波路に沿って切断した断面の断面図である。具体的には、Ｓｉ基板１０１において、第１のＳＯＡ１０が取り付けられる領域には、凹部１０１ｃが形成されており、凹部１０１ｃの底面１０１ｄには、第１のＳＯＡ１０が、Ｎ電極１３７が上、Ｐ電極１３６が下になるように取り付けられている。Ｓｉ基板１０１の凹部１０１ｃの底面１０１ｄには、金スズにより形成されたバンプ１３９が設けられており、第１のＳＯＡ１０のＰ電極１３６は、フリップチップ実装によりバンプ１３９と接続されている。

一般的には、ｎ−ＩｎＰ基板１３１は厚さにバラツキ等があるが、ｐ−ＩｎＰ層１３４、コンタクト層１３５及びＰ電極１３６の厚さは、比較的精密に制御することができる。従って、本実施の形態においては、第１のＳＯＡ１０をｎ−ＩｎＰ基板１３１を上にしてＳｉ基板１０１の凹部１０１ｃの底面１０１ｄに取り付けている。これにより、一点鎖線４Ａで囲まれた部分の第１のＳＯＡ１０の光導波路となる多重量子井戸活性層１３２の高さと、第１の光導波路７０の高さの位置合わせが容易になる。尚、第１のＳＯＡ１０は、長さＬ１が、例えば、約６００μｍとなるように形成されており、第１のＳＯＡ１０の端面は、不要な反射を抑制するため、例えば、端面の法線方向に対し、約７°傾いた形状で形成されている。これにより、第１のＳＯＡ１０を安定して動作させることができる。また、第１のＳＯＡ１０の光導波路が形成されている両側の端面には、反射防止膜（ＡＲコート）が形成されている。上記において第１のＳＯＡ１０について説明したが、第２のＳＯＡ２０についても同様である。

次に、偏波ローテータについて説明する。図７（ａ）は、偏波ローテータ３０の上面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）における一点鎖線７Ａ−７Ｂにおいて切断した断面図である。偏波ローテータ３０は、光導波路７１の幅を変化させることにより、光導波路７１に入力されたＴＭモードの光を高次のＴＥモードの光に変換した後、後段の方向性結合器により、基本ＴＥモードの光として取り出し、光導波路７２より出力するものである。偏波ローテータ３０の前段の光導波路７１の長さＬ２が約１００μｍの領域では、光導波路７１のコア１０３ａの部分は、幅Ｗ３は０．５μｍから１．４μｍまで徐々に広がっており、コア１０３ａの両側には厚さｔ５が９５ｎｍのスラブ１０３ｂが形成されている。また、偏波ローテータ３０の後段では、光導波路７１に近接して光導波路７２が設けられており、近接している領域における光導波路７１と光導波路７２との間隔Ｄ１は約１２０ｎｍ、長さＬ３は約５０μｍである。また、この領域における光導波路７１の幅Ｗ４は１．２５μｍであり、光導波路７２の幅Ｗ５は０．６１μｍである。このような偏波ローテータ３０では、光導波路７１にＴＭ偏波の光が入力すると、光導波路７２よりＴＥ偏波の光が出力される。

（光増幅器の製造）
本実施の形態における光増幅器を製造する際には、Ｓｉ基板１０１の入力側となる一方の端部１０１ａ近傍に形成された凹部１０１ｃの底面１０１ｄに、第１のＳＯＡ１０をフリップチップ実装する。同様に、Ｓｉ基板１０１の出力側となる他方の端部１０１ｂ近傍に形成された凹部の底面に、第２のＳＯＡ２０をフリップチップ実装する。

第１のＳＯＡ１０には多重量子井戸活性層１３２により光導波路が形成されている。よって、図４に示すように、第１のＳＯＡ１０の多重量子井戸活性層１３２の出射側の端面１３２ａの位置と光導波路７０の入射側の端面７０ａの位置とを一致させる位置合わせを行い、第１のＳＯＡ１０をフリップチップ実装する。具体的には、Ｓｉ基板１０１に形成された凹部１０１ｃの底面１０１ｄの上に、バンプ１３９を介し、第１のＳＯＡ１０をフリップチップ実装するが、この際の位置合わせは１箇所であり、精密な位置合わせを容易に行うことができる。従って、製造が容易になるとともに、低損失な光結合を得ることができる。

第２のＳＯＡ２０についても同様であり、光導波路７０の出射側の端面の位置と第２のＳＯＡ２０の多重量子井戸活性層１３２の入射側の端面の位置とを一致させる位置合わせを行い、第２のＳＯＡ２０をフリップチップ実装する。この第２のＳＯＡ２０をフリップチップ実装する際の位置合わせは１箇所であり、精密な位置合わせを容易に行うことができる。従って、製造が容易になるとともに、低損失な光結合を得ることができる。

よって、本実施の形態における光増幅器は、図１に示す構造のものと比べて、位置合わせが容易であり、製造工程も困難ではなく、短い時間で行うことができ、歩留まりも高くすることができる。従って、消費電力を増大させることなく、光増幅器に入力される入力光の偏波方向がランダムに変化しても、出力される光の強度の変動のない光増幅器であって、良好な特性を得ることができる光増幅器を低コストで製造することができる。

〔第２の実施の形態〕
次に、図８に基づき光スイッチが用いられている光増幅回路装置について説明する。図８に示される光増幅回路装置は、偏波依存性を有する２×２のマッハツェンダ型光スイッチと２つのＳＯＡアレイを用いた偏波ダイバーシティ回路であり、偏波依存性のないスイッチング動作と増幅動作を行うことができるものである。

この光増幅回路装置は、第１のＳＯＡアレイ９３１、第２のＳＯＡアレイ９４１、第１の偏波ローテータ３１、第２の偏波ローテータ３２、第３の偏波ローテータ３３、第４の偏波ローテータ３４、第１の光スイッチ６１、第２の光スイッチ６２等を有している。尚、第１のＳＯＡアレイ９３１及び第２のＳＯＡアレイ９４１は、ＴＥ偏波を増幅する機能を有する。

第１の光スイッチ６１及び第２の光スイッチ６２は、２×２のマッハツェンダ型光スイッチである。第１の光スイッチ６１は、２×２の第１の光カプラ１７１、２×２の第２の光カプラ１７２、第１の位相シフタ１８１、第２の位相シフタ１８２とを有している。

第１の光スイッチ６１は、２つの入力ポート１７１ａ、１７１ｂと２つの出力ポート１７２ａ、１７２ｂとを有している。入力ポート１７１ａ及び１７１ｂに入力した光は、第１の光カプラ１７１で分岐され、第１の位相シフタ１８１及び第２の位相シフタ１８２を各々通り、第２の光カプラ１７２を介して、出力ポート１７２ａ及び１７２ｂより出力される。従って、第１の光スイッチ６１では、入力ポート１７１ａに入力した光を第１の位相シフタ１８１及び第２の位相シフタ１８２において位相を変化させることにより、出力ポート１７２ａに出力させたり、出力ポート１７２ｂに出力させたり切り換えることができる。同様に、入力ポート１７１ｂに入力した光を第１の位相シフタ１８１及び第２の位相シフタ１８２において位相を変化させることにより、出力ポート１７２ａに出力させたり、出力ポート１７２ｂに出力させたり切り換えることができる。

また、第２の光スイッチ６２は、２×２の第３の光カプラ１７３、２×２の第４の光カプラ１７４、第３の位相シフタ１８３及び第４の位相シフタ１８４を有している。

第２の光スイッチ６２は、２つの入力ポート１７３ａ、１７３ｂと２つの出力ポート１７４ａ、１７４ｂとを有している。入力ポート１７３ａ及び１７３ｂに入力した光は、第３の光カプラ１７３で分岐され、第３の位相シフタ１８３及び第４の位相シフタ１８４を各々通り、第４の光カプラ１７４を介し、出力ポート１７４ａ及び１７４ｂより出力される。従って、第２の光スイッチ６２では、入力ポート１７３ａに入力した光を第３の位相シフタ１８３及び第４の位相シフタ１８４において位相を変化させることにより、出力ポート１７４ａに出力させたり、出力ポート１７４ｂに出力させたり切り換えることができる。同様に、入力ポート１７３ｂに入力した光を第３の位相シフタ１８３及び第４の位相シフタ１８４において位相を変化させることにより、出力ポート１７４ａに出力させたり、出力ポート１７４ｂに出力させたり切り換えることができる。

次に、図８に示す光増幅回路装置に、第１の入力光及び第２の入力光を入力させた場合について説明する。第１の入力光は、ＴＥ偏波成分となるＴＥα偏波とＴＭ偏波成分となるＴＭβ偏波とを含んでおり、第２の入力光は、ＴＥ偏波成分となるＴＥα偏波とＴＭ偏波成分となるＴＥβ偏波とを含んでいる。

図８に示す光増幅回路装置に入力された第１の入力光は、第１の偏波スプリッタ４１により、ＴＥα偏波とＴＭβ偏波とに分岐される。分岐された第１の入力光のＴＥα偏波は、第１の光スイッチ６１の入力ポート１７１ａに入力し、ＴＭβ偏波は、第１の偏波ローテータ３１によりＴＥβ偏波に変換された後、第２の光スイッチ６２の入力ポート１７３ｂに入力する。また、第２の入力光は、第２の偏波スプリッタ４２により、ＴＥα偏波とＴＭβ偏波とに分岐される。分岐された第２の入力光のＴＥα偏波は、第１の光スイッチ６１の入力ポート１７１ｂに入力し、ＴＭβ偏波は、第２の偏波ローテータ３２によりＴＥβ偏波に変換された後、第２の光スイッチ６２の入力ポート１７３ａに入力する。

第１の光スイッチ６１では、入力された第１の入力光のＴＥα偏波と第２の入力光のＴＥα偏波は、第１の位相シフタ１８１及び第２の位相シフタ１８２において位相が変えられた後、出力ポート１７２ａや出力ポート１７２ｂよりＴＥ偏波が出力される。第１の光スイッチ６１の出力ポート１７２ａより出力されたＴＥ偏波は第１のＳＯＡアレイ９３１の一方の光導波路に入力し、第１のＳＯＡアレイ９３１において増幅された後に出力され、第１の偏波コンバイナ５１の一方に入力される。第１の光スイッチ６１の出力ポート１７２ｂより出力されたＴＥ偏波は第１のＳＯＡアレイ９３１の他方の光導波路に入力し、第１のＳＯＡアレイ９３１において増幅された後に出力され、第２の偏波コンバイナ５２の一方に入力される。

第２の光スイッチ６２では、入力された第１の入力光のＴＥβ偏波と第２の入力光のＴＥβ偏波は、第３の位相シフタ１８３及び第４の位相シフタ１８４において位相が変えられた後、出力ポート１７４ａや出力ポート１７４ｂよりＴＥ偏波が出力される。第２の光スイッチ６２の出力ポート１７４ａより出力されたＴＥ偏波は第２のＳＯＡアレイ９４１の一方の光導波路に入力し、第２のＳＯＡアレイ９４１において増幅され、第３の偏波ローテータ３３に入力する。第３の偏波ローテータ３３に入力されたＴＥ偏波は、ＴＭ偏波に変換され、第２の偏波コンバイナ５２の他方に入力する。第２の光スイッチ６２の出力ポート１７４ｂより出力されたＴＥ偏波は第２のＳＯＡアレイ９４１の他方の光導波路に入力し、第２のＳＯＡアレイ９４１において増幅され、第４の偏波ローテータ３４に入力する。第４の偏波ローテータ３４に入力されたＴＥ偏波は、ＴＭ偏波に変換され、第１の偏波コンバイナ５１の他方に入力する。

第１の偏波コンバイナ５１に入力したＴＥ偏波とＴＭ偏波は合波されて、第１の出力光として出力され、第２の偏波コンバイナ５２に入力したＴＥ偏波とＴＭ偏波は合波されて、第２の出力光として出力される。

図８に示す構造の光増幅回路装置では、図１及び図２に示す場合と同様に、第１のＳＯＡアレイ９３１の光導波路の入射側と出射側の双方における位置合わせ、及び、第２のＳＯＡアレイ９４１の光導波路の入射側と出射側の双方における位置合わせが必要である。このような２箇所の位置を同時に厳密に位置合わせを行うことは、極めて困難であり、位置合わせに多大な時間を要してしまう。

次に、位相シフタについて説明する。図９は、第１の位相シフタ１８１の断面図である。第１の位相シフタ１８１は、光導波路となるコア１０３の上方に、ＴｉやＴｉＮ等により形成されており、断面の幅Ｗ６が約３μｍ、厚さｔ６が約２００ｎｍとなるように形成されている。第１の位相シフタ１８１を形成しているＴｉやＴｉＮ等は電流を流すと発熱するためヒータとして機能する。よって、第１の位相シフタ１８１に電流を流し、コア１０３等の温度を変化させて屈折率を変化させることにより、コア１０３内を伝搬している光の位相を調整することができる。第２の位相シフタ１８２、第３の位相シフタ１８３、第４の位相シフタ１８４についても同様である。

次に、偏波スプリッタ及び偏波コンバイナについて説明する。図１０（ａ）は、第１の偏波スプリッタ４１の上面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）における一点鎖線１０Ａ−１０Ｂにおいて切断した断面図である。第１の偏波スプリッタ４１は、幅Ｗ１が０．５μｍの２本の光導波路により形成されており、２本の光導波路となる光導波路７３と光導波路７４は、間隔Ｄ２が約０．３５μｍ、長さＬ４が約４μｍとなるように形成されたものである。このように、２本の光導波路、即ち、光導波路７３と光導波路７４とを近接して配置することにより方向性結合器を形成することができる。尚、第２の偏波スプリッタ４２、第１の偏波コンバイナ５１、第２の偏波コンバイナ５２も同様の構造のものである。

（第２の実施の光増幅回路装置）
次に、第２の実施の形態における光増幅回路装置について、図１１に基づき説明する。本実施の形態における光増幅回路装置は、光回路素子として光スイッチを有する構造のものである。

図１１の光増幅回路装置は、第１のＳＯＡアレイ１１０、第２のＳＯＡアレイ１２０、第１の偏波ローテータ３１、第２の偏波ローテータ３２、第３の偏波ローテータ３３、第４の偏波ローテータ３４、第１の光スイッチ６１、第２の光スイッチ６２等を有している。尚、これらはＳｉ基板の上に形成された光導波路により接続されている。また、第１のＳＯＡアレイ１１０及び第２のＳＯＡアレイ１２０は、ＴＥ偏波を増幅する機能を有する。本実施の形態においては、第１のＳＯＡアレイ１１０は、Ｓｉ基板の一方の端部１０１ａ近傍に設置されており、第２のＳＯＡアレイ１２０は、他方の端部１０１ｂ近傍に設置されている。

次に、本実施の形態における光増幅回路装置に、第１の入力光及び第２の入力光を入力させた場合について説明する。第１の入力光は、ＴＥ偏波成分となるＴＥα偏波とＴＭ偏波成分となるＴＭβ偏波とを含んでおり、第２の入力光は、ＴＥ偏波成分となるＴＥα偏波とＴＭ偏波成分となるＴＭβ偏波とを含んでいる。

本実施の形態における光増幅回路装置においては、第１の入力光は、第１のＳＯＡアレイ１１０の一方の光導波路に入力され、第２の入力光は、第１のＳＯＡアレイ１１０の他方の光導波路に入力される。

第１のＳＯＡアレイ１１０に入力した第１の入力光は、第１の入力光のＴＥα偏波が増幅されて、第１のＳＯＡアレイ１１０よりＴＭβ偏波とともに出力され、第１の偏波スプリッタ４１により、増幅されたＴＥα偏波とＴＭβ偏波とに分岐される。分岐された第１の入力光の増幅されたＴＥα偏波は、第１の光スイッチ６１の入力ポート１７１ａに入力し、ＴＭβ偏波は、第１の偏波ローテータ３１によりＴＥβ偏波に変換された後、第２の光スイッチ６２の入力ポート１７３ｂに入力する。

第１のＳＯＡアレイ１１０に入力した第２の入力光は、第２の入力光のＴＥα偏波が増幅されて、第１のＳＯＡアレイ１１０よりＴＭβ偏波とともに出力され、第２の偏波スプリッタ４２により、増幅されたＴＥα偏波とＴＭβ偏波とに分岐される。分岐された第１の入力光の増幅されたＴＥα偏波は、第１の光スイッチ６１の入力ポート１７１ｂに入力し、ＴＭβ偏波は、第２の偏波ローテータ３２によりＴＥβ偏波に変換された後、第２の光スイッチ６２の入力ポート１７３ａに入力する。

第１の光スイッチ６１では、増幅された第１の入力光のＴＥα偏波と第２の入力光のＴＥα偏波は、第１の位相シフタ１８１及び第２の位相シフタ１８２において位相が変えられて、出力ポート１７２ａや出力ポート１７２ｂよりＴＥ偏波として出力される。第１の光スイッチ６１の出力ポート１７２ａより出力されたＴＥ偏波は、第４の偏波ローテータ３４によりＴＭ偏波に変換され、第２の偏波コンバイナ５２の一方に入力される。第１の光スイッチ６１の出力ポート１７２ｂより出力されたＴＥ偏波は、第３の偏波ローテータ３３によりＴＭ偏波に変換され、第１の偏波コンバイナ５１の一方に入力される。

第２の光スイッチ６２では、入力された第１の入力光のＴＥβ偏波と第２の入力光のＴＥβ偏波は、第３の位相シフタ１８３及び第４の位相シフタ１８４において位相が変えられて、出力ポート１７４ａや出力ポート１７４ｂよりＴＥ偏波として出力される。第２の光スイッチ６２の出力ポート１７４ａより出力されたＴＥ偏波は、第１の偏波コンバイナ５１の他方に入力される。第２の光スイッチ６２の出力ポート１７４ｂより出力されたＴＥ偏波は、第２の偏波コンバイナ５２の他方に入力される。

第１の偏波コンバイナ５１に入力したＴＥ偏波とＴＭ偏波は合波されて、第２のＳＯＡアレイ１２０の一方の光導波路に入力され、第２の偏波コンバイナ５２に入力したＴＥ偏波とＴＭ偏波は合波されて、第２のＳＯＡアレイ１２０の他方の光導波路に入力される。第２のＳＯＡアレイ１２０に入力した各々の光は、各々の光に含まれるＴＥ偏波が増幅されて、第２のＳＯＡアレイ１２０よりＴＭ偏波とともに出力される。

本実施の形態における光増幅回路装置では、第１のＳＯＡアレイ１１０は入力側となるＳｉ基板の一方の端部１０１ａ近傍に設置されており、第２のＳＯＡアレイ１２０は出力側となるＳｉ基板の他方の端部１０１ｂ近傍に設置されている。よって、第１の実施の形態における光増幅器と同様に位置合わせは、第２のＳＯＡアレイ１２０の出射側の位置合わせ、第２のＳＯＡアレイ１２０の入射側の位置合わせのみでよい。このため、精密な位置合わせを容易に行うことができる。

従って、本実施の形態における光増幅回路装置は、図８に示す構造のものと比べて、位置合わせが容易であり、良好な特性を有する光増幅回路装置を製造することができ、また、短い時間で製造することができるため、歩留まりも高くすることができる。よって、消費電力を増大させることなく、光増幅回路装置に入力される入力光の偏波方向がランダムに変化しても、出力される光の強度の変動のない光増幅回路装置であって、良好な特性を得ることのできる光増幅回路装置を低コストで製造することができる。

上記においては、偏波依存性を有する一組の２×２光スイッチを光回路素子として用いた場合について説明したが、２×２光スイッチに限らず偏波依存性を有し同一の構造を有する任意の一組の光回路素子であれば、２×２光スイッチに置き換えることが可能である。この場合においても、偏波に依存しない増幅動作と光回路における動作を得ることができる。尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。

〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態における光増幅回路装置について、図１２に基づき説明する。本実施の形態は、光回路素子としてＴＥ偏波で動作する波長分波器を有する光増幅回路装置である。本実施の形態の光増幅回路装置は、第１のＳＯＡ１０、第２のＳＯＡ２０、第１の偏波ローテータ２３１、第２の偏波ローテータ２３２、第１の波長分波器２７１、第２の波長分波器２７２等を有しており、１枚のＳｉ基板上に形成されている。尚、これらはＳｉ基板の上に形成された光導波路により接続されている。

本実施の形態においては、第１の波長分波器２７１、第２の波長分波器２７２について説明するが、いずれか一方の偏波に対して動作する光回路であって、同じ構造のものであれば、他の光回路素子であってもよい。本実施の形態においては、第１のＳＯＡ１０は、Ｓｉ基板の一方の端部１０１ａ近傍に設置されており、第２のＳＯＡ２０は、他方の端部１０１ｂ近傍に設置されている。

次に、本実施の形態における光増幅回路装置に、入力光を入力させた場合について説明する。入力光は、波長λ_１、λ_２、・・・、λ_Ｎを含む光、即ち、Ｎ波長の多重信号であって、各々の波長においてＴＥ偏波成分となるＴＥα偏波とＴＭ偏波成分となるＴＭβ偏波とを含んでいる。

本実施の形態における光増幅回路装置においては、入力光は第１のＳＯＡ１０の光導波路に入力され、入力光のＴＥα偏波が増幅された後、偏波スプリッタ４０により、増幅されたＴＥα偏波と、ＴＭβ偏波に分岐される。

偏波スプリッタ４０により分岐された増幅されたＴＥα偏波は、第１の波長分波器２７１において、波長λ_Ｎの光と波長λ_１、λ_２、・・・、λ_Ｎ−１の光に分けられる。これにより、第１の波長分波器２７１の、一方の出力ポート２７１ａからは波長λ_ＮのＴＥα偏波が出力され、他方の出力ポート２７１ｂからは波長λ_１、λ_２、・・・、λ_Ｎ−１のＴＥα偏波が出力される。第１の波長分波器２７１の一方の出力ポート２７１ａより出力された波長λ_ＮのＴＥα偏波は、不図示の受光器等により電気信号に変換される等の信号処理が行われる。第１の波長分波器２７１の他方の出力ポート２７１ｂより出力された波長λ_１、λ_２、・・・、λ_Ｎ−１のＴＥα偏波は、第２の偏波ローテータ２３２によりＴＭα偏波に変換され、偏波コンバイナ５０の一方に入力される。

また、偏波スプリッタ４０により分岐されたＴＭβ偏波は、第１の偏波ローテータ２３１によりＴＥβ偏波に変換され、第２の波長分波器２７２において、波長λ_Ｎの光と波長λ_１、λ_２、・・・、λ_Ｎ−１の光に分けられる。これにより、第２の波長分波器２７２の一方の出力ポート２７２ａからは波長λ_ＮのＴＥβ偏波が出力され、他方の出力ポート２７２ｂからは波長λ_１、λ_２、・・・、λ_Ｎ−１のＴＥβ偏波が出力される。第２の波長分波器２７２の一方の出力ポート２７２ａより出力された波長λ_ＮのＴＥβ偏波は、不図示の受光器等により電気信号に変換される等の信号処理が行われる。第２の波長分波器２７２の他方の出力ポート２７２ｂより出力された波長λ_１、λ_２、・・・、λ_Ｎ−１のＴＥβ偏波は、偏波コンバイナ５０の他方に入力される。

偏波コンバイナ５０では、入力している波長λ_１、λ_２、・・・、λ_Ｎ−１のＴＭα偏波と波長λ_１、λ_２、・・・、λ_Ｎ−１のＴＥβ偏波とが合波され、合波された光は、第２のＳＯＡ２０においてＴＥ偏波が増幅されて出力される。よって、増幅された波長λ_１、λ_２、・・・、λ_Ｎ−１のＴＭα偏波及びＴＥβ偏波が出力光として出力される。

尚、本実施の形態における偏波スプリッタ４０、偏波コンバイナ５０は、第２の実施の形態における第１の偏波スプリッタ４１と同様の構造のものである。また、上記以外の内容については、第２の実施の形態と同様である。

以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

例えば、上記の実施の形態の説明では、入力側と出力側とで別個のＳＯＡを用いており、それぞれ光回路素子の対向する端面部分にフリップチップボンディングにより配置している。これに対して、入力側ＳＯＡ（第１のＳＯＡ１０）と出力側ＳＯＡ（第２のＳＯＡ２０）を、同一のＩｎＰ基板上に並べて形成した単一のアレイ素子３００を用いて、光回路素子の一つの端部に配置してもよい。この場合、２つのＳＯＡを導波する光の向きは互いに逆方向になる。このような素子構成の例を図１３及び図１４に示す。図１３に示される光増幅器は第１の実施の形態における光増幅器に対応する変形例であり、図１４に示される光増幅回路装置は第３の実施の形態における光増幅回路装置に対応する変形例である。このように２つのＳＯＡを単一のアレイ素子とすることで、部品点数と光回路上への搭載回数が半分になるため、製造が容易になる、という利点を有する。

上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
第１の半導体基板の上に形成された偏波ローテータを含む光回路素子と、
前記光回路素子の入力側に設置された第１の半導体光増幅素子と、
前記光回路素子の出力側に設置された第２の半導体光増幅素子と、
を有し、
前記第１の半導体光増幅素子及び前記第２の半導体光増幅素子は、前記第１の半導体基板の上に設置されており、
前記第１の半導体光増幅素子及び前記第２の半導体光増幅素子は、前記第１の半導体基板の端部の近傍に設置されていることを特徴とする光増幅器。
（付記２）
前記第１の半導体光増幅素子と、前記第１の半導体基板の上に形成された前記光回路素子の入力側の光導波路とは、光学的に接続されており、
前記第１の半導体基板の上に形成された前記光回路素子の出力側の光導波路と、前記第２の半導体光増幅素子とは、光学的に接続されていることを特徴とする付記１に記載の光増幅器。
（付記３）
前記第１の半導体光増幅素子及び前記第２の半導体光増幅素子は、第２の半導体基板上に集積形成されたアレイ素子であることを特徴とする付記１または２に記載の光増幅器。
（付記４）
前記第１の半導体光増幅素子及び前記第２の半導体光増幅素子は、同じ構造のものであることを特徴とする付記１から３のいずれかに記載の光増幅器。
（付記５）
前記第１の半導体光増幅素子及び前記第２の半導体光増幅素子は、前記第１の半導体基板に設けられた凹部にフリップチップ実装されていることを特徴とする付記１から４のいずれかに記載の光増幅器。
（付記６）
入力光を増幅する第１の半導体光増幅素子と、
前記第１の半導体光増幅素子からの出力光を分波する偏波スプリッタと、
前記偏波スプリッタの一方の出力が入力する第１の光回路素子と、
前記偏波スプリッタの他方の出力が入力する第１の偏波ローテータと、
前記第１の偏波ローテータからの出力が入力する第２の光回路素子と、
前記第１の光回路素子からの出力が入力する第２の偏波ローテータと、
前記第２の光回路素子からの出力、及び、前記第２の偏波ローテータからの出力を合波する偏波コンバイナと、
前記偏波コンバイナからの出力が入力する第２の半導体光増幅素子と、
有し、
前記第２の半導体光増幅素子は、入力した光を増幅して出力することを特徴とする光増幅回路装置。
（付記７）
前記偏波スプリッタ、前記第１の光回路素子、前記第１の偏波ローテータ、前記第２の光回路素子、前記第２の偏波ローテータ、前記偏波コンバイナは、第１の半導体基板の上に形成された光導波路により接続されており、
前記第１の半導体光増幅素子及び前記第２の半導体光増幅素子は、前記第１の半導体基板の上に設置されており、
前記第１の半導体光増幅素子と、前記第１の半導体基板の上に形成された前記偏波スプリッタと接続された光導波路とは、光学的に接続されており、
前記第１の半導体基板の上に形成された前記偏波コンバイナと接続された光導波路と、前記第２の半導体光増幅素子とは、光学的に接続されていることを特徴とする付記６に記載の光増幅回路装置。
（付記８）
前記第１の光回路素子及び前記第２の光回路素子は、光スイッチ、または、波長分波器であることを特徴とする付記６または７に記載の光増幅回路装置。
（付記９）
前記第１の半導体光増幅素子及び前記第２の半導体光増幅素子は、同じ構造のものであることを特徴とする付記３から８のいずれかに記載の光増幅回路装置。
（付記１０）
前記第１の半導体光増幅素子及び前記第２の半導体光増幅素子は、前記第１の半導体基板に設けられた凹部にフリップチップ実装されていることを特徴とする付記３から９のいずれかに記載の光増幅回路装置。

１０ 第１のＳＯＡ
２０ 第２のＳＯＡ
３０ 偏波ローテータ
３１ 第１の偏波ローテータ
３２ 第２の偏波ローテータ
３３ 第３の偏波ローテータ
３４ 第４の偏波ローテータ
４０ 偏波スプリッタ
４１ 第１の偏波スプリッタ
４２ 第２の偏波スプリッタ
５０ 偏波コンバイナ
５１ 第１の偏波コンバイナ
５２ 第２の偏波コンバイナ
６１ 第１の光スイッチ
６２ 第２の光スイッチ
７０ 光導波路
１０１ Ｓｉ基板
１０２ クラッド
１０３ コア
１１０ 第１のＳＯＡアレイ
１２０ 第２のＳＯＡアレイ
１３１ ｎ−ＩｎＰ基板
１３２ 多重量子井戸活性層
１３３ 埋め込み層
１３４ ｐ−ＩｎＰ層
１３５ コンタクト層
１３６ Ｐ電極
１３７ Ｎ電極
１３８ パッシベーション膜

Claims (6)

1. 第１の半導体基板の上に形成された偏波ローテータを含む光回路素子と、
   前記光回路素子の入力側に設置された第１の半導体光増幅素子と、
   前記光回路素子の出力側に設置された第２の半導体光増幅素子と、
   を有し、
   前記第１の半導体光増幅素子及び前記第２の半導体光増幅素子は、前記第１の半導体基板の上に設置されており、
   前記第１の半導体光増幅素子及び前記第２の半導体光増幅素子は、前記第１の半導体基板の端部の近傍に設置されていることを特徴とする光増幅器。
2. 前記第１の半導体光増幅素子と、前記第１の半導体基板の上に形成された前記光回路素子の入力側の光導波路とは、光学的に接続されており、
   前記第１の半導体基板の上に形成された前記光回路素子の出力側の光導波路と、前記第２の半導体光増幅素子とは、光学的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。
3. 前記第１の半導体光増幅素子及び前記第２の半導体光増幅素子は、第２の半導体基板上に集積形成されたアレイ素子であることを特徴とする請求項１または２に記載の光増幅器。
4. 入力光を増幅する第１の半導体光増幅素子と、
   前記第１の半導体光増幅素子からの出力光を分波する偏波スプリッタと、
   前記偏波スプリッタの一方の出力が入力する第１の光回路素子と、
   前記偏波スプリッタの他方の出力が入力する第１の偏波ローテータと、
   前記第１の偏波ローテータからの出力が入力する第２の光回路素子と、
   前記第１の光回路素子からの出力が入力する第２の偏波ローテータと、
   前記第２の光回路素子からの出力、及び、前記第２の偏波ローテータからの出力を合波する偏波コンバイナと、
   前記偏波コンバイナからの出力が入力する第２の半導体光増幅素子と、
   有し、
   前記第２の半導体光増幅素子は、入力した光を増幅して出力することを特徴とする光増幅回路装置。
5. 前記偏波スプリッタ、前記第１の光回路素子、前記第１の偏波ローテータ、前記第２の光回路素子、前記第２の偏波ローテータ、前記偏波コンバイナは、第１の半導体基板の上に形成された光導波路により接続されており、
   前記第１の半導体光増幅素子及び前記第２の半導体光増幅素子は、前記第１の半導体基板の上に設置されており、
   前記第１の半導体光増幅素子と、前記第１の半導体基板の上に形成された前記偏波スプリッタと接続された光導波路とは、光学的に接続されており、
   前記第１の半導体基板の上に形成された前記偏波コンバイナと接続された光導波路と、前記第２の半導体光増幅素子とは、光学的に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の光増幅回路装置。
6. 前記第１の光回路素子及び前記第２の光回路素子は、光スイッチまたは、波長分波器であることを特徴とする請求項４または５に記載の光増幅回路装置。
   
   
   

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