JP2615951B2 - 半導体レーザ増幅器と光伝送路と光分岐器と光合波器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、半導体レーザ増幅器とそれを用いた光伝送
路、光分岐器、及び合波器に関する。

従来の技術 光ファイバー通信では光信号が光ファイバー内で減衰
するため、途中で信号を増幅する必要がある。また、光
ニューラルネットワーク、光ファジーコンピュータ等の
光情報処理分野でも、光演算部や光接続部を通る度毎に
光信号が減衰するため、信号を増幅する必要がある。こ
のような目的に使用できるものとして、半導体レーザ増
幅器が開発されている。

第９図は、従来の半導体レーザ増幅器の主要な構成部
分の断面図を示す。1001は禁制帯幅が0.8エレクトロン
ボルトのInGaAsPより成る半導体活性層で、Ｐ形InPクラ
ッド層1002とＮ形InPクラッド層1003に挟まれている。
光入射面1004と光出射面1005はへきかいにより形成され
る。定電流源1006を用いてPN接合の順方向に電流を流
す。注入する電流が大きすぎるとこの素子は自らレーザ
発振するので、電流量はレーザ発振に必要な電流値（以
下、しきい値電流と呼ぶ。）よりも若干低い値に設定す
る。従ってこの素子はレーザ発振はできないが、外部か
ら入射された光に対しては利得を持つようになる。この
時、波長約1.5ミクロンの光から成る光信号1007が図の
ように光入射面1004に入射すると、半導体活性層1001内
で増幅され光出射面1005より光出力1008として出射され
る。増幅率はおよそ10倍から100倍程度であり、約１ギ
ガヘルツ程度の応答速度が得られる。光入射面1004と光
出射面1005に低反射膜を形成すると、しきい値電流が上
昇するので、注入電流の値を大きくできる。この時、半
導体活性層1001内のキャリア密度が高くなり、高い利得
と短いキャリア寿命が得られるので、増幅率と応答速度
を、向上させることができる。この素子は光を直接増幅
しているので、光信号を一度電気信号に戻して増幅して
から再び光信号に戻す方式に比べ構成が簡単である。ま
た、半導体レーザと構造が類似しているため、従来半導
体レーザに用いられていた製造技術が利用でき制作が容
易である。さらに他の素子との集積も容易である。集積
の例として、導波路との集積化（アイ・イー・イー・イ
ー、ジャーナル・オブ・カンタム・エレクトロニクス、
第QE-23号、第６巻、1021-1026頁）や、導波路と光分岐
器と集積した無損失の光スイッチ（アイ・イー・イー、
フォーティーンス・ヨーロピアン・コンファレンス・オ
ン・オプティカル・コミュニケーション、パート２、29
-32頁）等がある。

光伝送路の伝送距離を伸ばすために、半導体レーザ増
幅器を線形な中継器として用いる方法がすでに提唱され
ている。アイ・イー・イー・イー、ジャーナル・オブ・
カンタム・エレクトロニクス、第QE-18号、第10巻、156
0-1568頁に示された例の場合、光入出射面の反射率を６
％に下げたAlGaAs半導体レーザ増幅器２個とシングルモ
ードファイバーとを結合して伝送距離を数10倍もしくは
それ以上に伸ばせることを示した。

一方、光ニューラルネットワークは人間の脳や眼の情
報処理手法をチップ上に作り込み、パターン認識などの
あいまいな情報を扱ったり判断させようとするものであ
る。その構成は、例えば日経エレクトロニクス1988年７
月号66-71頁の第６図のように発光ダイオードアレイとT
ijマトリックスとフォトダイオードアレイとコンピュー
タ制御部より成る。情報は電気信号V₁,H,V₂,θと、発光
ダイオードアレイからTijマトリックスを経てフォトダ
イオードアレイに至る光信号とで構成されるループをぐ
るぐると回り、ある解に収束する。

また、光分岐器は１本の光伝送路を通ってきた光信号
を複数の光伝送路に分配させるためのもので、一方、光
合波器は複数の光伝送路を通ってきた光信号を一本の光
伝送路に集合させるためのものである。後者の場合、後
で再び分離させるために、各光信号の波長は異なってい
るのが通例である。従来の光分岐器と光合波器の例とし
ては、アイ・イー・イー・イー、ジャーナル・オブ・カ
ンタム・エレクトロニクス、第QE-17号、第６巻、974-9
81頁の第２図に示したような光ファイバー、ガラス板、
プリズム、光学フィルター、回折格子等を組み合わせた
ものや、アイ・イー・イー・イー、ジャーナル・オブ・
カンタム・エレクトロニクス、第QE-17号、第６巻、982
-987頁に示したような方向性結合器、或はアイ・イー・
イー・イー、ジャーナル・オブ・カンタム・エレクトロ
ニクス、第QE-14号、第10巻、749-755頁に示したような
Ｙ型光導波路等がある。

発明が解決しようとする課題 ところが、半導体レーザ増幅器は光信号−自然放出光
ビート雑音、自然放出光−自然放出光ビート雑音、増幅
された光信号のショット雑音、自然放出光ショット雑音
等の雑音を発生するという問題がある。

従って、半導体レーザ増幅器を持つ光伝送路において
は信号−雑音比が著しく劣化するので、誤り率を考慮す
ると伝送距離をあまり伸ばせないという問題があった。
また、信号光の波長でのみ透過率が高い光学フィルター
を半導体レーザ増幅器の出射側に配置して、雑音が光伝
送路に入り込むのを抑えるという手段も考案されている
が、この構成の場合、半導体レーザ増幅器の周囲の構成
が複雑なる、信号光の波長がなんらかの要因で変化した
ときに光学フィルターでの透過率が大きく変化してしま
う等の問題があった。

一方、光ニューラルネットワークでは、光信号は発光
ダイオードアレイからTijマトリックスを経てフォトダ
イオードアレイに至る過程で相当減衰するため、コンピ
ュータ制御部には信号を電気的に増幅し直すという負担
がかかっている。この負担を軽減するため、光の増幅器
を用いて光信号の損失を無くす必要があるが、逆にこれ
を用いることによって信号−雑音比が劣化すると誤りの
原因となる。従って、信号−雑音比が劣化しない光の増
幅器が必要とされている。

一方、光分岐器、光合波器には数デシベルから10数デ
シベルの挿入損失があるため、多段に接続した場合光信
号が急激に減少してしまうという問題があった。このた
め、挿入損失が無い光分岐器、光合波器が必要とされて
いるが、分岐や合波の際に信号−雑音比が劣化すると検
出誤りの原因となる。従って、挿入損失が無く信号−雑
音比が劣化しない光分岐器や光合波器が必要とされてい
る。

課題を解決するための手段 本発明は、上記の課題を解決するためになされたもの
であり、その主要部となる半導体レーザ増幅器は、半導
体基体上の少なくとも一部に選択的に形成された第１の
クラッド層上に、直接遷移型の半導体活性層と半導体光
吸収層とが選択的に形成され、それらの上にそれぞれ第
２のクラッド層と第３のクラッド層とが形成され、前記
半導体基体上と前記第２のクラッド層にはそれぞれオー
ミック電極層が形成されており、少なくとも前記第１と
第２のクラッド層の側面の一部からなる光入射面には第
１の低反射膜が形成され、少なくとも前記第１と第３の
クラッド層の側面の一部からなる光出射面には第２の低
反射膜が形成されているという構成を少なくとも持つ。
尚、半導体活性層と半導体光吸収層の屈折率はそれぞれ
を覆うクラッド層の屈折率より高く、禁制帯幅はクラッ
ド層より狭い。また、半導体光吸収層の禁制帯幅は半導
体活性層の禁制帯幅と同じ或は狭い。このような構成に
おいて、半導体活性層にはオーミック電極層を通じてし
きい値電流よりも小さい電流が供給され、外部より来る
光信号は光入射面より入射し半導体活性層と半導体光吸
収層を順次通り、光出射面より出射される。

また本発明による光伝送路は、上記の構成の半導体レ
ーザ増幅器に、前記半導体レーザ増幅器のオーミック電
極層に接続され順方向電流を供給する電源と、前記半導
体レーザ増幅器の光入射面と光出射面のそれぞれに集光
するように配置された第１と第２の集光手段と、前記第
１と第２の集光手段にそれぞれ光学的に結合された第１
と第２の光導波路とが少なくとも付加されて成る構成を
持つ。

また本発明による光分岐器は、上記の構成の半導体レ
ーザ増幅器が複数個集積されて成る半導体レーザ増幅器
アレイに、前記半導体レーザ増幅器の光入射面に片方の
端面が対向するようにそれぞれ配置された複数の光導波
路と、前記光導波路の他方の端を集束して成る光分岐点
が少なくとも付加されて成る構成を持つ。

また本発明による光合波器は、上記の構成の半導体レ
ーザ増幅器が複数個集積されて成る半導体レーザ増幅器
アレイに、前記半導体レーザ増幅器の光出射面に片方の
端面が対向するようにそれぞれ配置された複数の光導波
路と、前記光導波路の他方の端を集束して成る光分岐点
が少なくとも付加されて成る構成を持つ。

作用 上記の構成による半導体レーザ増幅器においては、半
導体活性層より発生する雑音は、半導体光吸収層で効果
的に吸収される。また、半導体光吸収層は強い光が注入
されると吸収が飽和し、注入光の波長での光の減衰が選
択的に低下する。この特性を用いると、半導体活性層内
で増幅された光信号は、光強度が高いので半導体光吸収
層で一部は吸収されるものの大部分が透過する。従っ
て、半導体活性層を通過した光信号の信号−雑音比は半
導体光吸収層を通ることによって大幅に改善される。

また上記の構成による光伝送路においては半導体レー
ザ増幅器による信号−雑音比の劣化がほとんど無いの
で、伝送距離を十分に伸ばすことができる。あるいは、
光ニューロネットワーク等の、損失が大きく且つ距離の
短い光伝送路においては、信号−雑音比を劣化させずに
光信号の損失を無くしたりする事が容易に行える。ま
た、半導体光吸収層での光の減衰は常に光信号の波長で
選択的に低下するようになっているため、光信号の波長
が変動しても増幅率の変動を小さく抑えられる。

また上記の構成による光分岐器、光合波器において
は、光の入射出射及び分岐、合波部分での結合損失が、
半導体レーザ増幅器により補われるため、挿入損失が無
く且つ信号−雑音比が劣化しない。

実施例 第１図は、本発明による半導体レーザ増幅器の第１の
実施例を示す断面図である。第１図（ａ）は、第１図
（ｂ）及び（ｃ）のC-C′間での断面図、第１図（ｂ）
及び（ｃ）は，それぞれ第１図（ａ）のA-A′間及びB-
B′間での断面図である。101は禁制帯幅0.95エレクトロ
ンボルト、厚さ0.3ミクロンのInGaAsP半導体活性層、10
2は禁制帯幅0.95エレクトロンボルト、厚さ0.3ミクロン
のInGaAsP半導体吸収層、103、104は禁制帯幅約1.1エレ
クトロンボルト、厚さ0.1ミクロンのInGaAsPから成るＮ
型クラッド層、105は禁制帯幅約1.1エレクトロンボル
ト、厚さ0.5ミクロンのInGaAsPから成るＮ型クラッド
層、106は厚さ１ミクロンのＰ型InPクラッド層、107は
厚み幅共に２ミクロンのＮ型InP層、108はＰ型InPより
成る半導体基体、109、110はそれぞれ金と錫の合金から
成るＮ型オーミック金属及び金と亜鉛の合金から成るＰ
型オーミック金属、111、112は厚さ223ナノメートルの
酸化珪素から成る低反射膜である。酸化珪素の屈折率が
1.46、注入光の感じる半導体レーザ増幅器の屈折率（以
下、等価屈折率と呼ぶ。）がほぼ3.4であることを考慮
すると低反射膜111、112の反射率は1.3ミクロンの光に
対してほぼ５％になる。Ｎ型オーミック金属109とＰ型
オーミック金属110には定電流源113が接続され、PN接合
の順方向に約20ミリアンペアの定常電流が流れるように
なっている。Ｎ型InP層107は（ｂ）、（ｃ）図から判る
ように、帯状になっており、これらの図面で見て横方向
の等価屈折率（光の感じる屈折率）がこの層の下で一番
大きくなるようにしてある。また、上下方向の等価屈折
率は（ｂ）図では半導体活性層101、（ｃ）図ではＮ型
クラッド層105で一番大きくなるようにしてある。ま
た、半導体吸収層102のある領域では、この層で等価屈
折率は一番大きくなる。これらの屈折率分布により低反
射膜111より注入される、波長1.3ミクロンの注入光114
は、Ｎ型InP層107の直下の半導体活性層101、半導体吸
収層102、Ｎ型クラッド層105に主に閉じこめられて導波
され出射光115として出射される。尚、特許請求の範囲
第２項との整合性についてふれておくと、第２のクラッ
ド層と第３のクラッド層は本実施例の場合、（ａ）図に
於けるＮ型クラッド層105のB-B′の破線の左及び右にそ
れぞれ対応する。また、第２導電型のオーミック電極層
はＮ型InP層107とＮ型オーミック金属109に、第１導電
型のオーミック電極層はＰ型オーミック金属110にそれ
ぞれ対応する。

この素子に注入された光は、まず半導体活性層101に
入り約1000倍程度に増幅される。ところがこの時、「発
明が解決しようとする課題」の冒頭で述べたような各種
の雑音が発生する。

これらの雑音は、半導体活性層中に注入されたキャリ
アのうち増幅に寄与しなかったものが、約１ナノ秒程度
の寿命を経た後に発光を伴う再結合をする事に基づくも
のである。キャリアのエネルギーは分布を持つので、生
じる光の波長は禁制帯幅で決まる波長より若干短く且つ
約100オングストロームの幅を持つ。従来の半導体レー
ザ増幅器の場合、この雑音が信号と一緒に出力されてし
まい、信号−雑音比が著しく劣化していた。一方、本発
明の素子においては、光は引続き半導体吸収層102に入
射する。半導体吸収層102は、その禁制帯幅が半導体活
性層と同じあるいは小さく設定されると、上記の波長の
光を良く吸収する。吸収係数は約1000cm^-1程度もあるの
で、光は数10ミクロンこの層を通過するだけで、数10分
の１に減衰してしまう。もちろん、信号も吸収される
が、半導体吸収層102は強い光が注入されると吸収が飽
和し、注入光の波長での光の減衰が選択的に低下すると
いう性質がある。光信号は光強度が高いので、この特性
を用いて減衰率を小さくすることができる。よって、光
信号は一部は吸収されるものの大部分が透過する。従っ
て、半導体活性層101を通過した光信号の信号−雑音比
は半導体光吸収層102を通ることによって大幅に改善さ
れる。

本発明における半導体レーザ増幅器の第２の実施例
は、第１図の低反射膜111、112を酸化珪素ではなく厚さ
163ナノメートルの窒化珪素にして、反射率を1.3ミクロ
ンの光に対して１％以下になるようにしたものを用いて
説明できる。第１の実施例の場合、注入光114の光強度
が大きすぎた時には、低反射膜111で小量の光が反射さ
れ半導体吸収層102で減衰を受けた後、半導体活性層101
で増幅され低反射膜112に到達する。この光は一部が外
部に出射され注入光114の来た経路を逆戻りして光源の
動作に悪影響を与える。また、低反射膜112で再び反射
された光は注入光114と干渉しあうので、線形増幅器と
しての線形応答特性を劣化させる原因となる。第２の実
施例では、低反射膜111、112の反射率が小さいため、上
記したような問題を抑制することができる。

第２図は、本発明による半導体レーザ増幅器の第３の
実施例を示す断面図である。第２図（ａ）は、第２図
（ｂ）のB-B′間での断面図、第２図（ｂ）は，第２図
（ａ）のA-A′間での断面図である。201は禁制帯幅0.95
エレクトロンボルト、厚さ0.2ミクロンのInGaAsP半導体
活性層、202は禁制帯幅1.1エレクトロンボルト、厚さ0.
2ミクロンのInGaAsP半導体吸収層、203、204は厚さ２ミ
クロンのInPから成るＰ型クラッド層、205は厚さ１ミク
ロンのInPから成るＮ型クラッド層、206は禁制帯幅0.95
エレクトロンボルト、厚さ0.2ミクロンのＰ型InGaAsPコ
ンタクト層、207は半絶縁性InPより成る半導体基体、20
8、209はそれぞれ金と亜鉛の合金から成るＰ型オーミッ
ク金属及び金と錫の合金から成るＮ型オーミック金属、
210、211は厚さ223ナノメートルの酸化珪素から成る低
反射膜である。酸化珪素の屈折率が1.46、半導体レーザ
増幅器の等価屈折率がほぼ3.4であることを考慮すると
低反射膜210、211の反射率は1.3ミクロンの光に対して
ほぼ５％になる。半導体活性層201、半導体吸収層202、
Ｐ型クラッド層203、204、Ｐ型InGaAsPコンタクト層206
はエッチングにより（ａ）図のように、帯状になってお
り、それらの側面は、Ｐ型InP埋め込み層212、213とＮ
型InP埋め込み層214、215で覆われている。Ｎ型オーミ
ック金属209とＰ型オーミック金属208には図示していな
い定電流源が接続され、PN接合の順方向に約20ミリアン
ペアの定常電流が流されている。半導体活性層201と半
導体吸収層202の屈折率はそれらを囲む層の屈折率より
大きいので、波長1.3ミクロンの注入光216は、半導体活
性層201、半導体吸収層202に主に閉じこめられて導波さ
れ出射光217として出射される。尚、特許請求の範囲第
２項との整合性についてふれておくと、第２導電型のオ
ーミック電極層はＰ型InGaAsPコンタクト層206とＰ型オ
ーミック金属208に、第１導電型のオーミック電極層は
Ｎ型オーミック金属209にそれぞれ対応する。この素子
に注入された光は、まず半導体活性層201に入り約1000
倍程度に増幅される。この時、発生する雑音は、半導体
吸収層202にで吸収されてしまう。この層の禁制帯幅は
発生する雑音の光子エネルギーよりも約0.1エレクトロ
ンボルト小さいので、本発明による半導体レーザ増幅器
の第１の実施例より効率よく雑音を吸収できる。またこ
の層では信号も吸収されるが、第１の実施例と同様に、
強い光が注入されると吸収が飽和し、その光の波長での
光の減衰が選択的に低下するという性質を利用して減衰
率を小さくすることができる。よって、光信号は一部は
吸収されるものの大部分が透過する。従って、半導体活
性層を通過した光信号の信号−雑音比は半導体光吸収層
を通ることによって大幅に改善される。

第３図は本発明による光伝送路の１実施例を示す断面
図である。301は、本発明による半導体レーザ増幅器の
第１の実施例と同一の構造であるが、低反射膜111、112
が延長され、それぞれ302、303と成っている点と、半導
体基体108が横方向に延長され304と成っている点が異な
っている。305、306は導波路であり、第１図（ｃ）から
Ｐ型オーミック金属110を取り去った構造と同一の構造
をしている。307、308はポリイミドであり、注入光30
9、出射光310を、それぞれ半導体レーザ増幅器301と導
波路306に効率よく結合させる働きを持つ。半導体レー
ザ増幅器301には、図示していない定電流源が接続さ
れ、PN接合の順方向に約20ミリアンペアの定常電流が流
されている。信号光である波長1.3ミクロンの光に対し
て導波路305、306は数−数10インバースセンチメートル
（cm^-1）の伝送損失を持つ。しかし、信号光が半導体レ
ーザ増幅器301を通過すると信号−雑音比を劣化させる
ことなく増幅されるので、伝送距離を数−数10倍に伸ば
すことができる。また、この伝送路を光ニューロネット
ワークに適用した場合、Tijマトリックスで大きな光強
度の損失があるものの、この伝送路により信号−雑音比
を劣化させずに、光信号の損失を補う事が容易に行え
る。また、半導体光吸収層での光の減衰は常に光信号の
波長で選択的に低下するようになっているため、光信号
の波長が変動しても増幅率の変動を小さく抑えられる。

第４図は本発明による光伝送路の他の実施例を示すブ
ロック図である。401は、本発明による半導体レーザ増
幅器の第３の実施例と同一の構造である。402は、半導
体レーザ増幅器401のPN接合の順方向に約20ミリアンペ
アの定常電流を流すための定電流源である。403、404は
レンズであり、それぞれシングルモードファイバー405
と半導体レーザ増幅器401、シングルモードファイバー4
06と半導体レーザ増幅器401を光学的に結合している。
これらは固定治具407により固定されている。シングル
モードファイバー405は約10キロメートルの長さがあ
り、波長1.3ミクロンの信号光408は数10分の１に減衰す
る。ところがこの光は、半導体レーザ増幅器401に入射
するため、信号−雑音比を劣化させずに、光信号の減衰
を補う事が出来、再びシングルモードファイバー406に
より長距離伝送できる。

第５図は本発明による光分岐器の１実施例を示すブロ
ック図である。501は、半導体レーザ増幅器アレイであ
り、本発明による半導体レーザ増幅器の第２の実施例と
同一の構造のもの502、503、504、505、506をＰ型InP基
板上を共通のものとして５個並列に集積したものであ
る。各半導体レーザ増幅器には、PN接合の順方向に約20
ミリアンペアの定常電流を流すための定電流源507、50
8、509、510、511が接続されている。512、513、514、5
15、516はシングルモードファイバーであり、これらか
ら出射された光信号はレンズ517、518、519、520、521
により集光され、半導体レーザ増幅器502、503、504、5
05、506にそれぞれ入射される。522は融着により形成さ
れた光分岐点である。以上の部分が本発明による光分岐
器とそれに用いる電源の構成である。光信号はシングル
モードファイバー523と光コネクター524を順次通って、
光分岐点522で各ファイバーに分配される。この際、各
光信号は分配されたことと光分岐点522での結合損失に
より、数10分の１に減衰する。しかしこの直後に、各半
導体レーザ増幅器に入射するため、信号−雑音比を劣化
させずに、光信号の減衰を補う事が出来、再びシングル
モードファイバー525、526、527、528、529により長距
離伝送できる。尚、出射光530、531、532、533、534は
レンズ535、536、537、538、539により集光され各ファ
イバーに結合されている。半導体レーザ増幅器アレイ、
レンズ、光分岐点は図示されていない固定治具に固定さ
れている。

第６図は本発明による光分岐器の他の実施例を示す上
面図である。601、602、603は、半導体レーザ増幅器で
あり、本発明による半導体レーザ増幅器の第１の実施例
と同一の構造のものをＰ型InP基板上を共通のものとし
て３個並列に集積したものである。各半導体レーザ増幅
器には、PN接合の順方向に約20ミリアンペアの定常電流
を流すための図示されていない定電流源が接続されてい
る。604、605、606は導波路であり、第１図（ｃ）から
Ｐ型オーミック金属110を取り去った構造と同一の構造
をしている。但し、湾曲部を持ち光分岐点607で集束し
ている点が異なっている。608は溝である。A-A′におけ
る断面は第３図の構造をX-X′を結ぶ線で分断した左側
の部分とほぼ同一の構造をしている。相違点はポリイミ
ド307が無いことである。光信号は光ファイバー609を通
ってきてレンズ610により集光され、光分岐器に注入さ
れる。光分岐器の内部では、光分岐点607で各導波路に
分配される。この際、各光信号は分配されたことと光分
岐点607での結合損失により、数10分の１に減衰する。
しかしこの直後に、各半導体レーザ増幅器に入射するた
め、信号−雑音比を劣化させずに、光信号の減衰を補う
事が出来、レンズ611、612、613を用いて、光ファイバ
ー614、615、616により長距離伝送できる。上記の構成
は図示されていない固定治具に固定されている。

第７図は本発明による光合波器の１実施例を示すブロ
ック図である。701は、半導体レーザ増幅器アレイであ
り、本発明による半導体レーザ増幅器の第２の実施例と
同一の構造の増幅器702、703、704、705、706を、Ｐ型I
nP基板上を共通のものとして５個並列に集積したもので
ある。各半導体レーザ増幅器には、PN接合の順方向に約
20ミリアンペアの定常電流を流すための定電流源707、7
08、709、710、711が接続されている。712、713、714、
715、716はシングルモードファイバーであり、これらか
ら出射された光信号はレンズ717、718、719、720、721
により集光され、半導体レーザ増幅器702、703、704、7
05、706にそれぞれ入射される。シングルモードファイ
バー722、723、724、725、726と、融着により形成され
た光合波点727より成る部分は、能動素子を含まないと
いう点で従来の光合波器の構成と類似している。従っ
て、この構成だけだと各光信号は光合波点727での結合
損失により、数10分の１に減衰する。しかし本実施例に
おいては、光信号728、729、730、731、732は、まず各
半導体レーザ増幅器に入射するため、信号−雑音比を劣
化させずに光信号を数10から数100倍に増幅するので、
光合波点727での減衰を補う事が出来、再びシングルモ
ードファイバー733により長距離伝送できる。尚、734、
735、736、737、738はレンズであり半導体レーザ増幅器
アレイ701からの出射光を各ファイバーに結合してい
る。尚、半導体レーザ増幅器アレイ、レンズ、光分岐点
は図示されていない固定治具に固定されている。

第８図は本発明による光合波器の他の実施例を示す上
面図である。801、802、803は、半導体レーザ増幅器で
あり、本発明による半導体レーザ増幅器の第１の実施例
と同一の構造のものをＰ型InP基板上を共通のものとし
て３個並列に集積したものである。各半導体レーザ増幅
器には、PN接合の順方向に約20ミリアンペアの定常電流
を流すための図示されていない定電流源が接続されてい
る。804、805、806は導波路であり、第１図（ｃ）から
Ｐ型オーミック金属110を取り去った構造と同一の構造
をしている。但し、湾曲部を持ち光合波点807で集束し
ている点が異なっている。808は溝である。A-A′におけ
る断面は第３図の構造をY-Y′を結ぶ線で分断した右側
の部分とほぼ同一の構造をしている。相違点はポリイミ
ド307が無いことである。光信号は光ファイバー809、81
0、811を通ってきてレンズ812、813、814により集光さ
れ、光合波器に注入される。各光信号は、光合波点807
での結合損失により、数10分の１に減衰する。しかしこ
の直前に、各半導体レーザ増幅器により、信号−雑音比
を劣化させずに、光信号を数10倍に増幅する事ができる
ので、この減衰を補う事が出来る。従って、光信号は無
損失で合波され、レンズ815、光ファイバー816を通って
伝送されて行く。尚、上記の構成は図示されていない固
定治具に固定されている。

発明の効果 本発明によれば、波長フィルター等を用いて雑音成分
を遮断せずとも、容易に信号−雑音比の劣化の少ない半
導体レーザ増幅器を得ることができる。また、なんらか
の要因で光信号の波長が変わったとしても、半導体光吸
収層での光の減衰は常に光信号の波長で選択的に低下す
るようになっているため、増幅率の変動を小さく抑えら
れる。

また本発明によれば、信号−雑音比の劣化をほとんど
起こさずに伝送距離を十分に伸ばすことができる光伝送
路を提供できる。また、損失が大きく且つ距離の短い光
伝送路においては、信号−雑音比を劣化させずに光信号
の損失を無くす事が容易に行える。また、半導体光吸収
層での光の減衰は常に光信号の波長で選択的に低下する
ようになっているため、光源から出る光信号の波長が変
動しても増幅率の変動を小さく抑えられる。

また本発明によれば、光の入射出射及び分岐、合波部
分での結合損失が、半導体レーザ増幅器により補われる
ため、挿入損失が無く且つ信号−雑音比が劣化しない光
分岐器、光合波器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体レーザ増幅器の１実施例を
示す断面図、第２図は本発明による半導体レーザ増幅器
の他の実施例を示す断面図、第３図は本発明による光伝
送路の１実施例を示す断面図、第４図は本発明による光
伝送路の他の実施例を示すブロック図、第５図は本発明
による光分岐器の１実施例を示すブロック図、第６図は
本発明による光分岐器の他の実施例を示す上面図、第７
図は本発明による光合波器の１実施例を示すブロック
図、第８図は本発明による光合波器の他の実施例を示す
上面図、第９図は従来の半導体レーザ増幅器の１例を示
す断面図である。 101……InGaAsP半導体活性層、102……InGaAsP半導体吸
収層、103、104、105……Ｎ型InGaAsPクラッド層、106
……Ｐ型InPクラッド層、107……Ｎ型InP層、108……半
導体基体、109……Ｎ型オーミック金属、110……Ｐ型オ
ーミック金属、111、112……低反射膜、113……定電流
源、114……注入光、115……出射光、201……InGaAsP半
導体活性層、202……InGaAsP半導体吸収層、203、204…
…Ｐ型クラッド層、205……Ｎ型クラッド層、206……Ｐ
型InGaAsPコンタクト層、207……半絶縁性InP半導体基
体、208……Ｐ型オーミック金属、209……Ｎ型オーミッ
ク金属、210、211……低反射膜、212、213……Ｐ型InP
埋め込み層、214、215……Ｎ型InP埋め込み層、216……
注入光、217……出射光、301……半導体レーザ増幅器、
302、303……低反射膜、304……半導体基体、305、306
……導波路、307、308……ポリイミド、309……注入
光、310……出射光、401……半導体レーザ増幅器、402
……定電流源、403、404……レンズ、405、406……シン
グルモードファイバー、407……固定治具、408……信号
光、409……出射光、501……半導体レーザ増幅器アレ
イ、502、503、504、505、506……半導体レーザ増幅
器、507、508、509、510、511……定電流源、512、51
3、514、515、516……シングルモードファイバー、51
7、518、519、520、521……レンズ、522……光分岐点、
523……シングルモードファイバー、524……光コネクタ
ー、525、526、527、528、529……シングルモードファ
イバー、530、531、532、533、534……出射光、535、53
6、537、538、539……レンズ、601、602、603……半導
体レーザ増幅器、604、605、606……導波路、607……光
分岐点、608……溝、609……光ファイバー、610、611、
612、613……レンズ、614、615、616……光ファイバ
ー、701……半導体レーザ増幅器アレイ、702、703、70
4、705、706……半導体レーザ増幅器、707、708、709、
710、711……定電流源、712、713、714、715、716……
シングルモードファイバー、717、718、719、720、721
……レンズ、722、723、724、725、726……シングルモ
ードファイバー、727……光合波点、728、729、730、73
1、732……光信号、733……シングルモードファイバ
ー、734、735、736、737、738……レンズ、801、802、8
03……半導体レーザ増幅器、804、805、806……導波
路、807……光合波点、808……溝、809、810、811……
光ファイバー、812、813、814、815……レンズ、816…
…光ファイバー。

Claims (15)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直接遷移型の半導体活性層及び前記半導体
   活性層の一部或は全部を覆って成り前記半導体活性層よ
   り大きい禁制帯幅を持つ第１と第２のクラッド層及び前
   記第１と第２のクラッド層をそれぞれ覆って成る第１と
   第２の電極層を少なくとも持つ第１の半導体領域と、 前記第１の半導体領域に隣接し前記半導体活性層と同じ
   或は小さい禁制帯幅を持つ半導体光吸収層を少なくとも
   持つ第２の半導体領域と、 前記第１と第２の半導体領域の端面にそれぞれ形成され
   た第１と第２の低反射膜とを少なくとも持ち、 前記第１の半導体領域の端面から光信号を注入する、こ
   とを特徴とする半導体レーザ増幅器。
2. 【請求項２】半導体基体と、前記半導体基体の１主面上
   の少なくとも一部に選択的に形成され第１の禁制帯幅と
   第１の屈折率と第１の導電型を持つ第１のクラッド層
   と、前記第１のクラッド層の１主面上の一部に選択的に
   形成された第２の禁制帯幅と第２の屈折率を持つ直接遷
   移型の半導体活性層と、前記第１のクラッド層の前記主
   面上で前記半導体活性層で覆われていない部分の少なく
   とも一部に選択的に形成された第３の禁制帯幅と第３の
   屈折率を持つ半導体光吸収層と、少なくとも前記半導体
   活性層の主面を覆って成り第４の禁制帯幅と第４の屈折
   率と第２の導電型を持つ第２のクラッド層と、少なくと
   も前記半導体光吸収層の主面を覆って成り第５の屈折率
   を持つ第３のクラッド層と、前記第２のクラッド層上に
   形成された第２導電型のオーミック電極層と、前記半導
   体基体上に形成された第１導電型のオーミック電極層
   と、少なくとも前記第１と第２のクラッド層の側面の一
   部からなる光入射面に形成された第１の低反射膜と、少
   なくとも前記第１と第３のクラッド層の側面の一部から
   なる光出射面に形成された第２の低反射膜とを少なくと
   も持つ構成において、前記第２の禁制帯幅が前記第１と
   第４の禁制帯幅より小さく、前記第２の屈折率が前記第
   １と第４の屈折率より大きく、前記第３の屈折率が前記
   第１と第５の屈折率より大きく、前記第３の禁制帯幅が
   前記第２の禁制帯幅と同じもしくは小さいことを特徴と
   する半導体レーザ増幅器。
3. 【請求項３】第１と第２の低反射膜の反射率が入出力さ
   れる波長に対して１％以下であることを特徴とする請求
   項１または２に記載の半導体レーザ増幅器。
4. 【請求項４】直接遷移型の半導体活性層及び前記半導体
   活性層の一部或は全部を覆って成り前記半導体活性層よ
   り大きい禁制帯幅を持つ第１と第２のクラッド層及び前
   記第１と第２のクラッド層をそれぞれ覆って成る第１と
   第２の電極層を少なくとも持つ第１の半導体領域と、 前記第１の半導体領域に隣接し前記半導体活性層と同じ
   或は小さい禁制帯幅を持つ半導体光吸収層を少なくとも
   持つ第２の半導体領域と、 前記第１と第２の半導体領域の端面にそれぞれ形成され
   た第１と第２の低反射膜とを少なくとも持ち、 前記第１の半導体領域の端面から光信号を注入する半導
   体レーザ増幅器に、 前記第１と第２の電極層とに接続された電源と、 前記第１と第２の低反射膜にそれぞれ対向して配置され
   た第１と第２の集光手段と、 前記第１と第２の集光手段にそれぞれ接続されて成る第
   １と第２の光導波路とが少なくとも付加されて成ること
   を特徴とする光伝送路。
5. 【請求項５】半導体基体と、前記半導体基体の１主面上
   の少なくとも一部に選択的に形成され第１の禁制帯幅と
   第１の屈折率と第１の導電型を持つ第１のクラッド層
   と、前記第１のクラッド層の１主面上の一部に選択的に
   形成された第２の禁制帯幅と第２の屈折率を持つ直接遷
   移型の半導体活性層と、前記第１のクラッド層の前記主
   面上で前記半導体活性層で覆われていない部分の少なく
   とも一部に選択的に形成された第３の禁制帯幅と第３の
   屈折率を持つ半導体光吸収層と、少なくとも前記半導体
   活性層の主面を覆って成り第４の禁制帯幅と第４の屈折
   率と第２の導電型を持つ第２のクラッド層と、少なくと
   も前記半導体光吸収層の主面を覆って成り第５の屈折率
   を持つ第３のクラッド層と、前記第２のクラッド層上に
   形成された第２導電型のオーミック電極層と、前記半導
   体基体上に形成された第１導電型のオーミック電極層
   と、少なくとも前記第１と第２のクラッド層の側面の一
   部からなる光入射面に形成された第１の低反射膜と、少
   なくとも前記第１と第３のクラッド層の側面の一部から
   なる光出射面に形成された第２の低反射膜とを少なくと
   も持つ構成において、前記第２の禁制帯幅が前記第１と
   第４の禁制帯幅より小さく、前記第２の屈折率が前記第
   １と第４の屈折率より大きく、前記第３の屈折率が前記
   第１と第５の屈折率より大きく、前記第３の禁制帯幅が
   前記第２の禁制帯幅と同じもしくは小さいことを特徴と
   する半導体レーザ増幅器に、前記第１導電型のオーミッ
   ク電極層と前記第２導電型のオーミック電極層とに接続
   された電源と、前記光入射面と前記光出射面にそれぞれ
   対向して配置された第１と第２の集光手段と、前記第１
   と第２の集光手段にそれぞれ接続されて成る第１と第２
   の光導波路とが少なくとも付加されて成ることを特徴と
   する光伝送路。
6. 【請求項６】第１と第２の光導波路が光ファイバーであ
   ることを特徴とする請求項４または５に記載の光伝送
   路。
7. 【請求項７】第１と第２の低反射膜の反射率が入出力さ
   れる波長に対して１％以下であることを特徴とする請求
   項４、５、６のいずれかに記載の光伝送路。
8. 【請求項８】直接遷移型の半導体活性層及び前記半導体
   活性層の一部或は全部を覆って成り前記半導体活性層よ
   り大きい禁制帯幅を持つ第１と第２のクラッド層及び前
   記第１と第２のクラッド層をそれぞれ覆って成る第１と
   第２の電極層を少なくとも持つ第１の半導体領域と、 前記第１の半導体領域に隣接し前記半導体活性層と同じ
   或は小さい禁制帯幅を持つ半導体光吸収層を少なくとも
   持つ第２の半導体領域と、 前記第１と第２の半導体領域の端面にそれぞれ形成され
   た第１と第２の低反射膜とを少なくとも持ち、 前記第１の半導体領域の端面から光信号を注入する半導
   体レーザ増幅器が、複数個集積されて成る半導体レーザ
   増幅器アレイに、 前記第１の低反射膜に一端面が対向するようにそれぞれ
   配置された複数の光導波路と、 前記光導波路を集束して成る光分岐点を少なくとも付加
   して成ることを特徴とする光分岐器。
9. 【請求項９】半導体基体と、前記半導体基体の１主面上
   の少なくとも一部に選択的に形成され第１の禁制帯幅と
   第１の屈折率と第１の導電型を持つ第１のクラッド層
   と、前記第１のクラッド層の１主面上の一部に選択的に
   形成された第２の禁制帯幅と第２の屈折率を持つ直接遷
   移型の半導体活性層と、前記第１のクラッド層の前記主
   面上で前記半導体活性層で覆われていない部分の少なく
   とも一部に選択的に形成された第３の禁制帯幅と第３の
   屈折率を持つ半導体光吸収層と、少なくとも前記半導体
   活性層の主面を覆って成り第４の禁制帯幅と第４の屈折
   率と第２の導電型を持つ第２のクラッド層と、少なくと
   も前記半導体光吸収層の主面を覆って成り第５の屈折率
   を持つ第３のクラッド層と、前記第２のクラッド層上に
   形成された第２導電型のオーミック電極層と、前記半導
   体基体上に形成された第１導電型のオーミック電極層
   と、少なくとも前記第１と第２のクラッド層の側面の一
   部からなる光入射面に形成された第１の低反射膜と、少
   なくとも前記第１と第３のクラッド層の側面の一部から
   なる光出射面に形成された第２の低反射膜とを少なくと
   も持つ構成において、前記第２の禁制帯幅が前記第１と
   第４の禁制帯幅より小さく、前記第２の屈折率が前記第
   １と第４の屈折率より大きく、前記第３の屈折率が前記
   第１と第５の屈折率より大きく、前記第３の禁制帯幅が
   前記第２の禁制帯幅と同じもしくは小さいことを特徴と
   する半導体レーザ増幅器が複数個集積されて成る半導体
   レーザ増幅器アレイに、前記光入射面に一端面が対向す
   るようにそれぞれ配置された複数の光導波路と、前記光
   導波路を集束して成る光分岐点を少なくとも付加して成
   ることを特徴とする光分岐器。
10. 【請求項１０】半導体レーザ増幅器と光導波路と光分岐
    点が半導体基体上に集積されて成ることを特徴とする請
    求項８または９に記載の光分岐器。
11. 【請求項１１】第１と第２の低反射膜の反射率が入出力
    される波長に対して１％以下であることを特徴とする請
    求項８、９、10のいずれかに記載の光分岐器。
12. 【請求項１２】直接遷移型の半導体活性層及び前記半導
    体活性層の一部或は全部を覆って成り前記半導体活性層
    より大きい禁制帯幅を持つ第１と第２のクラッド層及び
    前記第１と第２のクラッド層をそれぞれ覆って成る第１
    と第２の電極層を少なくとも持つ第１の半導体領域と、 前記第１の半導体領域に隣接し前記半導体活性層と同じ
    或は小さい禁制帯幅を持つ半導体光吸収層を少なくとも
    持つ第２の半導体領域と、 前記第１と第２の半導体領域の端面にそれぞれ形成され
    た第１と第２の低反射膜とを少なくとも持ち、 前記第１の半導体領域の端面から光信号を注入する半導
    体レーザ増幅器が、複数個集積されて成る半導体レーザ
    増幅器アレイに、前記第２の低反射膜に一端面が対向す
    るようにそれぞれ配置された複数の光導波路と、 前記光導波路を集束して成る光分岐点を少なくとも付加
    して成ることを特徴とする光合波器。
13. 【請求項１３】半導体基体と、前記半導体基体の１主面
    上の少なくとも一部に選択的に形成され第１の禁制帯幅
    と第１の屈折率と第１の導電型を持つ第１のクラッド層
    と、前記第１のクラッド層の１主面上の一部に選択的に
    形成された第２の禁制帯幅と第２の屈折率を持つ直接遷
    移型の半導体活性層と、前記第１のクラッド層の前記主
    面上で前記半導体活性層で覆われていない部分の少なく
    とも一部に選択的に形成された第３の禁制帯幅と第３の
    屈折率を持つ半導体光吸収層と、少なくとも前記半導体
    活性層の主面を覆って成り第４の禁制帯幅と第４の屈折
    率と第２の導電型を持つ第２のクラッド層と、少なくと
    も前記半導体光吸収層の主面を覆って成り第５の屈折率
    を持つ第３のクラッド層と、前記第２のクラッド層上に
    形成された第２導電型のオーミック電極層と、前記半導
    体基体上に形成された第１導電型のオーミック電極層
    と、少なくとも前記第１と第２のクラッド層の側面の一
    部からなる光入射面に形成された第１の低反射膜と、少
    なくとも前記第１と第３のクラッド層の側面の一部から
    なる光出射面に形成された第２の低反射膜とを少なくと
    も持つ構成において、前記第２の禁制帯幅が前記第１と
    第４の禁制帯幅より小さく、前記第２の屈折率が前記第
    １と第４の屈折率より大きく、前記第３の屈折率が前記
    第１と第５の屈折率より大きく、前記第３の禁制帯幅が
    前記第２の禁制帯幅と同じもしくは小さいことを特徴と
    する半導体レーザ増幅器が複数個集積されて成る半導体
    レーザ増幅器アレイに、前記光出射面に一端面が対向す
    るようにそれぞれ配置された複数の光導波路と、前記光
    導波路を集束して成る光分岐点を少なくとも付加して成
    ることを特徴とする光合波器。
14. 【請求項１４】半導体レーザ増幅器と光導波路と光分岐
    点が半導体基体上に集積されて成ることを特徴とする請
    求項12または13に記載の光合波器。
15. 【請求項１５】第１と第２の低反射膜の反射率が入出力
    される波長に対して１％以下であることを特徴とする請
    求項12、13、14のいずれかに記載の光合波器。