JP2545719B2 - 積層型光増幅器 - Google Patents
積層型光増幅器Info
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- JP2545719B2 JP2545719B2 JP3128806A JP12880691A JP2545719B2 JP 2545719 B2 JP2545719 B2 JP 2545719B2 JP 3128806 A JP3128806 A JP 3128806A JP 12880691 A JP12880691 A JP 12880691A JP 2545719 B2 JP2545719 B2 JP 2545719B2
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- optical
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信や光情報処理分
野において、光信号を増幅する光増幅器の新しい構成法
およびこれに基ずく新しい光増幅器の構造に関するもの
である。
野において、光信号を増幅する光増幅器の新しい構成法
およびこれに基ずく新しい光増幅器の構造に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】従来の光増幅器においては、入射光を導
波し増幅を行う活性導波路を均一幅で作製し、この部分
に電流注入や光励起をおこない利得を発生させる構造が
用いられてきた。この模式図(上面図)を図8に示す。
基板1の上に斜線で示したものが活性導波路2であっ
て、図示の如く導波路幅が均一なものであった。光増幅
器の飽和効果は、誘導放出による増幅過程において光強
度に比例したキャリア数が減少し、これに伴ない利得が
減少することによる。これによって、最大増幅光出力、
効率が制限を受ける。この飽和効果を減少させるために
は、導波路断面積を拡大し、単位断面積当りの光強度を
低減することが必要である。一方、単一モード伝搬を行
うためには、導波路幅を狭くして高次モード伝搬をなく
す必要があった。このため、導波路幅が均一な従来法の
光増幅器では、単一モード伝搬のために導波路断面積は
拡大できず、また、伝搬するにつれて増大する光強度に
よって出力側で飽和が生じ、最大光出力が制限されるこ
と、これにともない光増幅器の効率が低下するという問
題があった。更に、この問題を解決するために半導体光
導波路において、単一モード条件を満たす狭い入力側の
導波路から出力側の導波路へ導波路幅をテーパー状に緩
やかに拡大することも公知である。けれどもこの構成で
は入射ビーム径よりも射出ビーム径が大きくなり、同径
のビームを得ることができない。
波し増幅を行う活性導波路を均一幅で作製し、この部分
に電流注入や光励起をおこない利得を発生させる構造が
用いられてきた。この模式図(上面図)を図8に示す。
基板1の上に斜線で示したものが活性導波路2であっ
て、図示の如く導波路幅が均一なものであった。光増幅
器の飽和効果は、誘導放出による増幅過程において光強
度に比例したキャリア数が減少し、これに伴ない利得が
減少することによる。これによって、最大増幅光出力、
効率が制限を受ける。この飽和効果を減少させるために
は、導波路断面積を拡大し、単位断面積当りの光強度を
低減することが必要である。一方、単一モード伝搬を行
うためには、導波路幅を狭くして高次モード伝搬をなく
す必要があった。このため、導波路幅が均一な従来法の
光増幅器では、単一モード伝搬のために導波路断面積は
拡大できず、また、伝搬するにつれて増大する光強度に
よって出力側で飽和が生じ、最大光出力が制限されるこ
と、これにともない光増幅器の効率が低下するという問
題があった。更に、この問題を解決するために半導体光
導波路において、単一モード条件を満たす狭い入力側の
導波路から出力側の導波路へ導波路幅をテーパー状に緩
やかに拡大することも公知である。けれどもこの構成で
は入射ビーム径よりも射出ビーム径が大きくなり、同径
のビームを得ることができない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、単一モード
伝搬が可能で、ビーム径を変えることなしに、飽和の影
響が少なく、高出力、高効率動作が可能な光増幅器を構
成することを目的としている。
伝搬が可能で、ビーム径を変えることなしに、飽和の影
響が少なく、高出力、高効率動作が可能な光増幅器を構
成することを目的としている。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の集積型光増幅器は、基板上に、活性層
と、導波路層と、クラッド層とを積層し、電流注入また
は光励起により増幅を行う光増幅器において、入力側か
ら出力側に向って導波路層幅、または活性層幅がテーパ
ー状に広がるように構成された光増幅器の出力側に、ビ
ーム径を不変にするように導波路層幅または活性層幅が
テーパー状に狭くなるよう集積した受動光導波路とを具
備してなることを特徴とするものである。
めに、本発明の集積型光増幅器は、基板上に、活性層
と、導波路層と、クラッド層とを積層し、電流注入また
は光励起により増幅を行う光増幅器において、入力側か
ら出力側に向って導波路層幅、または活性層幅がテーパ
ー状に広がるように構成された光増幅器の出力側に、ビ
ーム径を不変にするように導波路層幅または活性層幅が
テーパー状に狭くなるよう集積した受動光導波路とを具
備してなることを特徴とするものである。
【0005】
【作用】集積型半導体光導波路において、単一モード条
件を満たす狭い入力側の導波路から出力側の導波路へ導
波路幅をテーパー状に緩やかに拡大することで、単一幅
導波路では横多モードとなるような広い幅まで導波路を
拡大しても単一横モード導波が可能であることを理論的
に明らかとすると共に、テーパー状に導波路を拡大する
ことで導波路内の光強度を伝搬方向に対してほぼ一定に
でき、光増幅器の飽和光強度が大幅に増大できることか
ら、光増幅器の最高出力の拡大、効率の向上が可能であ
る。
件を満たす狭い入力側の導波路から出力側の導波路へ導
波路幅をテーパー状に緩やかに拡大することで、単一幅
導波路では横多モードとなるような広い幅まで導波路を
拡大しても単一横モード導波が可能であることを理論的
に明らかとすると共に、テーパー状に導波路を拡大する
ことで導波路内の光強度を伝搬方向に対してほぼ一定に
でき、光増幅器の飽和光強度が大幅に増大できることか
ら、光増幅器の最高出力の拡大、効率の向上が可能であ
る。
【0006】しかしながらこの構成では導波路の出力側
のビーム径が拡がり、不変なビーム径を得ることができ
ない。本発明の光増幅器は、前記のように構成したの
で、ビーム径を変えることなしに、飽和の影響が少な
く、高出力、高効率動作が可能である。
のビーム径が拡がり、不変なビーム径を得ることができ
ない。本発明の光増幅器は、前記のように構成したの
で、ビーム径を変えることなしに、飽和の影響が少な
く、高出力、高効率動作が可能である。
【0007】
【実施例】以下図面について、本発明の実施例について
詳細に説明する。図1は、単一モード導波を満たす狭い
幅の入力側の導波路から、導波路幅が出力側に向ってテ
ーパー状に拡大している導波路構造を有する光増幅器に
関する概念図を図1に示す。
詳細に説明する。図1は、単一モード導波を満たす狭い
幅の入力側の導波路から、導波路幅が出力側に向ってテ
ーパー状に拡大している導波路構造を有する光増幅器に
関する概念図を図1に示す。
【0008】図1は公知の光増幅器の構成原理の説明用
図である。図1において、1は半導体基板で、2はこの
半導体基板1の上に設けた入力側から出力側に向って導
波路幅が広がるテーパー状の導波路である。Wi は導波
路2の入口側の幅、W(z)は導波路2の入力側から長さ
zのところの幅、Wo は導波路2の出口側の幅を示し、
Lは導波路2の長さを示す。図1で半導体基板1の中央
に斜線で示したものがテーパー状に拡大している構造を
もった導波路2でこの中に利得を生じる活性層がある。
外側の部分は光を閉じ込めるためのクラッドで中央の導
波路に比べて低屈折率の材料で構成される。
図である。図1において、1は半導体基板で、2はこの
半導体基板1の上に設けた入力側から出力側に向って導
波路幅が広がるテーパー状の導波路である。Wi は導波
路2の入口側の幅、W(z)は導波路2の入力側から長さ
zのところの幅、Wo は導波路2の出口側の幅を示し、
Lは導波路2の長さを示す。図1で半導体基板1の中央
に斜線で示したものがテーパー状に拡大している構造を
もった導波路2でこの中に利得を生じる活性層がある。
外側の部分は光を閉じ込めるためのクラッドで中央の導
波路に比べて低屈折率の材料で構成される。
【0009】この構造において入射された光波は出力側
に向って伝搬するにつれて増幅され、パワーは指数関数
で増加する。このとき、導波路の断面積を伝搬方向に沿
って指数関数状に拡大することにより単位断面積当りの
光り強度は一定に保たれる。導波路幅を厳密に指数関数
状に拡大したテーパ構造でなくても、例えば直線的ある
いはn乗曲線に従って拡大したテーパーでもある程度の
高出力、高効率動作が望める。
に向って伝搬するにつれて増幅され、パワーは指数関数
で増加する。このとき、導波路の断面積を伝搬方向に沿
って指数関数状に拡大することにより単位断面積当りの
光り強度は一定に保たれる。導波路幅を厳密に指数関数
状に拡大したテーパ構造でなくても、例えば直線的ある
いはn乗曲線に従って拡大したテーパーでもある程度の
高出力、高効率動作が望める。
【0010】図2(a),(b)は、公知の光増幅器の
構成原理の説明用図である。光導波路は、半導体基板1
の上に設けた入力側から出力側に向って導波路幅が広が
るテーパー状の導波路2と、その中の電流注入によって
光利得を有する活性層3と、その外側で光を閉じ込める
クラッド層4とから構成されている。活性層3を含めた
導波路2は、外側のクラッド層4よりも高屈折率となっ
ており、主にこの屈折率差による屈折率導波によって入
射光は伝搬する。また、この光増幅器の導波路2の入射
面2Aおよび出射面2Bは無反射コート等によって反射
を極めて小さく抑えており、進行波型の光増幅器(TW
A)に構成してある。活性層3の部分は、通常のバルク
構造の他、量子井戸構造も導入が可能な構造としてあ
る。
構成原理の説明用図である。光導波路は、半導体基板1
の上に設けた入力側から出力側に向って導波路幅が広が
るテーパー状の導波路2と、その中の電流注入によって
光利得を有する活性層3と、その外側で光を閉じ込める
クラッド層4とから構成されている。活性層3を含めた
導波路2は、外側のクラッド層4よりも高屈折率となっ
ており、主にこの屈折率差による屈折率導波によって入
射光は伝搬する。また、この光増幅器の導波路2の入射
面2Aおよび出射面2Bは無反射コート等によって反射
を極めて小さく抑えており、進行波型の光増幅器(TW
A)に構成してある。活性層3の部分は、通常のバルク
構造の他、量子井戸構造も導入が可能な構造としてあ
る。
【0011】図3(a),(b)は、図2(b)の光増
幅器中のモード伝搬特性の解析例を示した図である。図
3(a)において、Wi は導波路の入力側の幅、Wo は
導波路の出力側の幅、導波路の入力を(TE00)IN、導
波路の出力を(TE00)OUTとし、 Δneqを 半導体基板と導波路との屈折率差 neq1 を 半導体基板の屈折率 neq2 を 導波路の屈折率 とすると、
幅器中のモード伝搬特性の解析例を示した図である。図
3(a)において、Wi は導波路の入力側の幅、Wo は
導波路の出力側の幅、導波路の入力を(TE00)IN、導
波路の出力を(TE00)OUTとし、 Δneqを 半導体基板と導波路との屈折率差 neq1 を 半導体基板の屈折率 neq2 を 導波路の屈折率 とすると、
【数1】 が成立する。導波路の入出力のパワー比(TE00パワー
比)(%)は
比)(%)は
【数2】 で示される。
【0012】図3(b)は導波路の長さL=500 μm、
1000μm、1500μm、導波路の入力側の幅Wi =1μm
とし、導波路の出力側の幅Wo を0〜40μmに変えたと
きの屈折率差Δneqが0.6 〜3μmのときの導波路の
出力パワー比(%)を示す。 点線は屈折率差Δneq=0.6 %のもの、 実線は屈折率差Δneq=3%のものを示す。図3
(b)より明らかなように、屈折率差が0.6 〜3%、入
力導波路の幅Wiが1μmの場合、出力導波路の幅Wo
を20μmまで拡大しても90%近くのパワーが基本モード
に結合することが明らかとなった。このことから、本発
明の如く、緩やかなテーパー状導波路を用いることで、
単一横モード伝搬を満たしながら導波路幅の拡大が可能
であることが判明した。
1000μm、1500μm、導波路の入力側の幅Wi =1μm
とし、導波路の出力側の幅Wo を0〜40μmに変えたと
きの屈折率差Δneqが0.6 〜3μmのときの導波路の
出力パワー比(%)を示す。 点線は屈折率差Δneq=0.6 %のもの、 実線は屈折率差Δneq=3%のものを示す。図3
(b)より明らかなように、屈折率差が0.6 〜3%、入
力導波路の幅Wiが1μmの場合、出力導波路の幅Wo
を20μmまで拡大しても90%近くのパワーが基本モード
に結合することが明らかとなった。このことから、本発
明の如く、緩やかなテーパー状導波路を用いることで、
単一横モード伝搬を満たしながら導波路幅の拡大が可能
であることが判明した。
【0013】図4は、出力導波路幅Wo に対する、飽和
光出力光強度(飽和によって利得が3dB減少する出力
光強度)と光増幅器の光増幅効率ηAMP を示す。光増幅
器の光増幅効率ηAMP は
光出力光強度(飽和によって利得が3dB減少する出力
光強度)と光増幅器の光増幅効率ηAMP を示す。光増幅
器の光増幅効率ηAMP は
【数3】 で示される。図4において実線はΔneq=3%、点線は
Δneq=0.6 %の場合の光増幅効率ηAMP を示す。入力
導波路幅Wi を1μmとした場合、従来型の導波路幅一
様の光増幅器では飽和出力光強度が14dBm程度である
のに対して、本発明の集積型増幅器では、出力導波路幅
Wo を20μmとすることで22dBmと8dBmの飽和光
強度の増加が得られ、また、効率についても従来型のも
のに比べ1.5 倍に増加できることが明らかとなった。
Δneq=0.6 %の場合の光増幅効率ηAMP を示す。入力
導波路幅Wi を1μmとした場合、従来型の導波路幅一
様の光増幅器では飽和出力光強度が14dBm程度である
のに対して、本発明の集積型増幅器では、出力導波路幅
Wo を20μmとすることで22dBmと8dBmの飽和光
強度の増加が得られ、また、効率についても従来型のも
のに比べ1.5 倍に増加できることが明らかとなった。
【0014】図4の試験に使用した半導体材料は1.5 μ
mバルクのGaInAsP−BHの半導体よりなる。 Go =20dB J =15kA/cm2 d =50nm Wi =1μm ξy =0.07 neq2=3.27で L=1.37〜1.17mm(実線) L=2〜1.37mm(点線) の場合を示す。
mバルクのGaInAsP−BHの半導体よりなる。 Go =20dB J =15kA/cm2 d =50nm Wi =1μm ξy =0.07 neq2=3.27で L=1.37〜1.17mm(実線) L=2〜1.37mm(点線) の場合を示す。
【0015】図5は、公知の光増幅器の構成原理の説明
用図である。図5中、1は半導体基板、2は導波路、3
は活性層、4はクラッド層、5は金属電極、6はテーパ
ーした増幅路、8,9は50μm幅の窓を示す。本発明に
おいて、7のDFBレーザ等の集積型の半導体レーザ素
子と入力側から出力側に向って導波路幅がテーパー状に
広がる光増幅器を一体化した光源である。前述したよう
に、光増幅器が高飽和特性を有するため、半導体レーザ
の直後においてブースター増幅器として用PJいること
が可能となることを示す。
用図である。図5中、1は半導体基板、2は導波路、3
は活性層、4はクラッド層、5は金属電極、6はテーパ
ーした増幅路、8,9は50μm幅の窓を示す。本発明に
おいて、7のDFBレーザ等の集積型の半導体レーザ素
子と入力側から出力側に向って導波路幅がテーパー状に
広がる光増幅器を一体化した光源である。前述したよう
に、光増幅器が高飽和特性を有するため、半導体レーザ
の直後においてブースター増幅器として用PJいること
が可能となることを示す。
【0016】図6は本発明の光増幅器の本発明実施の一
例を示す図である。図6において、PINは光入力、P
OUT は光出力、Lは能動領域の長さ、Wi は光導波路の
入口側の幅、Wo は能動領域と受動領域との境界領域の
幅、Wl は受動領域の出口側の幅を示す。neq1は基
板の屈折率、neq2は能動領域の屈折率、neq3は
受動領域の屈折率を示す。 拡大率 W(z) =Wi exp (αtap z) 縮小率 W(z) =Wo exp (−αtap z) を示す。入力側から出力側に向って導波路幅または活性
層幅がテーパー状に広がるように構成された光増幅器の
出力側に、今度は導波路幅がテーパー状に狭くなる低損
失の受動光導波路を集積した集積型光増幅器である。こ
のように構成することでビーム径を変えることなく高光
出力、高効率動作を行うことが可能となる。
例を示す図である。図6において、PINは光入力、P
OUT は光出力、Lは能動領域の長さ、Wi は光導波路の
入口側の幅、Wo は能動領域と受動領域との境界領域の
幅、Wl は受動領域の出口側の幅を示す。neq1は基
板の屈折率、neq2は能動領域の屈折率、neq3は
受動領域の屈折率を示す。 拡大率 W(z) =Wi exp (αtap z) 縮小率 W(z) =Wo exp (−αtap z) を示す。入力側から出力側に向って導波路幅または活性
層幅がテーパー状に広がるように構成された光増幅器の
出力側に、今度は導波路幅がテーパー状に狭くなる低損
失の受動光導波路を集積した集積型光増幅器である。こ
のように構成することでビーム径を変えることなく高光
出力、高効率動作を行うことが可能となる。
【0017】図7は公知の光増幅器の原理説明用図で、
導波路幅が入力側から出力側にわたってテーパー状に拡
大している導波路構造を有する光増幅器と共振器からな
るレーザ素子である。図7において、1は半導体基板、
2は光導波路、9,10は光導波路の入口側と出口側とに
それぞれ設けた金属層を示す。Wi は光導波路の入口側
の幅、Wo は光導波路の出口側の幅を示し、neq1は
半導体基板の屈折率、neq2は光導波路の屈折率を示
す。光導波路の拡大率はW(z) =Wiexp(αtap z )で
表される。
導波路幅が入力側から出力側にわたってテーパー状に拡
大している導波路構造を有する光増幅器と共振器からな
るレーザ素子である。図7において、1は半導体基板、
2は光導波路、9,10は光導波路の入口側と出口側とに
それぞれ設けた金属層を示す。Wi は光導波路の入口側
の幅、Wo は光導波路の出口側の幅を示し、neq1は
半導体基板の屈折率、neq2は光導波路の屈折率を示
す。光導波路の拡大率はW(z) =Wiexp(αtap z )で
表される。
【0018】本発明においては、図5に示すように、集
積型(DFB)のレーザ7の直後に導波路幅が入力側か
ら出力側に向ってテーパー状に拡大している導波路構造
を有する光増幅器6を集積化した増幅器一体型光源とし
ていると、光強度の飽和が生ぜず、光増幅器の効率が増
大する。
積型(DFB)のレーザ7の直後に導波路幅が入力側か
ら出力側に向ってテーパー状に拡大している導波路構造
を有する光増幅器6を集積化した増幅器一体型光源とし
ていると、光強度の飽和が生ぜず、光増幅器の効率が増
大する。
【0019】本発明においては、図6に示すように導波
路幅が入力側から出力側に向ってテーパー状に拡大して
いる導波路構造を有する光増幅器の直後に入力側から出
力側にかけて導波路幅がテーパー状に減少している受動
光導波路を集積化した光増幅器を構成していると、ビー
ム径を変えることなく、また光強度の飽和が生ぜず光増
幅器の効率が増大する。
路幅が入力側から出力側に向ってテーパー状に拡大して
いる導波路構造を有する光増幅器の直後に入力側から出
力側にかけて導波路幅がテーパー状に減少している受動
光導波路を集積化した光増幅器を構成していると、ビー
ム径を変えることなく、また光強度の飽和が生ぜず光増
幅器の効率が増大する。
【0020】本発明は図7に示すように、導波路幅が入
力側から出力側にわたってテーパー状に拡大している導
波路構造を有する光増幅路2と共振器(図示せず)とか
らなるレーザ構造をもった光増幅器を構成していると、
光強度の飽和が生ぜずレーザの効率が増大する。
力側から出力側にわたってテーパー状に拡大している導
波路構造を有する光増幅路2と共振器(図示せず)とか
らなるレーザ構造をもった光増幅器を構成していると、
光強度の飽和が生ぜずレーザの効率が増大する。
【0021】
【発明の効果】本発明は、単一モード導波を満たす狭い
幅の入力側の導波路から、導波路幅が入力側より出力側
にわってテーパー状に拡大している導波路構造を利用す
るものであり、単一横モード伝搬が可能であると同時
に、光増幅器中の光強度が一定に保たれることによって
高飽和、高効率、低雑音動作の光増幅器が実現可能とな
り、その応用として半導体レーザを直後に結合した高出
力のブースター増幅器や、光直接中継用増幅器として高
効率、低雑音の光増幅器を提供することが可能となる工
業上大なる利点がある。
幅の入力側の導波路から、導波路幅が入力側より出力側
にわってテーパー状に拡大している導波路構造を利用す
るものであり、単一横モード伝搬が可能であると同時
に、光増幅器中の光強度が一定に保たれることによって
高飽和、高効率、低雑音動作の光増幅器が実現可能とな
り、その応用として半導体レーザを直後に結合した高出
力のブースター増幅器や、光直接中継用増幅器として高
効率、低雑音の光増幅器を提供することが可能となる工
業上大なる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は公知の光増幅器の模式図である。
【図2】図2は公知の半導体光増幅器の構造図である。
【図3】図3は公知の半導体光増幅器の横モード伝搬特
性図である。
性図である。
【図4】図4は公知の半導体光増幅器の飽和出力特性図
である。
である。
【図5】図5は公知の半導体光増幅器の一例を示す斜視
図である。
図である。
【図6】図6は本発明の半導体光増幅器の構造の一例を
示す平面図である。
示す平面図である。
【図7】図7は公知の半導体光増幅器の構造の一例を示
す平面図である。
す平面図である。
【図8】図8は従来の光増幅器の模式図である。
1 半導体基板 2 テーパー状導波路 2A 導波路の入射面 2B 導波路出射面 3 活性層 4 クラッド層 5A,5B 金属電極 6 テーパー状増幅器 7 DFBレーザ領域 8,9 窓 10 テーパー状導波路 Wi 導波路の入口側の幅 Wz 導波路の入口から長さzのところの幅 Wo 導波路の出口側の幅
Claims (1)
- 【請求項1】 基板上に、活性層と、導波路層と、クラ
ッド層とを積層し、電流注入または光励起により増幅を
行う光増幅器において、入力側から出力側に向って導波
路層幅、または活性層幅がテーパー状に広がるように構
成された光増幅器の出力側に、ビーム径が不変となるよ
うに導波路層幅または活性層幅がテーパー状に狭くなる
よう集積した受動光導波路とを具備してなることを特徴
とする集積型光増幅器。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3128806A JP2545719B2 (ja) | 1991-03-15 | 1991-03-15 | 積層型光増幅器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3128806A JP2545719B2 (ja) | 1991-03-15 | 1991-03-15 | 積層型光増幅器 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0567845A JPH0567845A (ja) | 1993-03-19 |
JP2545719B2 true JP2545719B2 (ja) | 1996-10-23 |
Family
ID=14993887
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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