JP2903017B1 - 光増幅器 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】光増幅の高効率特性を維持しつつ、信号／雑音
比の劣化が少なく且つ小型なる新たな光増幅器を提供す
る。 【解決手段】本願発明の光増幅器は、導波路内に光の進
行方向に延在する量子井戸構造を少なくとも有する光共
振器を有し、当該量子井戸構造はエネルギー準位に相違
のある少なくとも２種類のポラリトンを確保し得る量子
井戸領域であって、当該量子井戸領域のエネルギーの低
い準位群よりの誘導放射による放射寿命が、当該量子井
戸領域のエネルギーの低い準位群の位相緩和時間より小
さい状態を有するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は光増幅器に関する
ものである。更に詳細には、本願発明の光増幅器は半導
体材料を主体として構成され、且つポラリトンを利用し
た光増幅器に係わるものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の光増幅器は大きく二つの型に分け
られる。一つは光の誘導放出を利用するもので、通常の
半導体光増幅器や希土類、例えばエルビウムドープファ
イバ増幅器等がある。もう一つが非線形効果を利用しす
るものである。利用される非線形効果としてはパラメト
リック効果等である。非線形効果を利用する光増幅器の
例として、例えば、１９９３年のフィジカル レビュー
レター 第７０巻 ３２３９頁より３２４２頁（Ｐｈ
ｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． Ｖｏｌ．７０ ｐ３２３９
−ｐ３２４２（１９９３））に見られる。そして、この
光増幅器は、これまで理論的に限界とされていた信号／
雑音比の３ｄＢ以下を実現している。それは、ポンプ光
と信号光の差周波数に当たるアイドラー光がスクイーズ
状態にあって、信号光とアイドラー光の間に特定の位相
関係が成立させることによって達成されると報告してい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】昨今の光システム側か
ら光増幅器に要請される主要な事項は、増幅が高効率に
なされ、信号／雑音比の劣化が少なく、且つ極めて簡便
な手段によってその動作がなされることである。

【０００４】従来の誘導放出を利用する光増幅器の場
合、原理的に信号／雑音比の劣化３ｄＢ以上になる。現
実に、最も最適化された半導体増幅器でも５ｄＢ程度の
劣化が報告されている。しかし、非線形効果を利用した
光増幅器に比べて高効率で、小型で使いやすいととも
に、この光増幅器は微弱な信号光に対しても機能する。
また、入力信号の強度が比較的大きく変化してもより安
定に動作する利点を有している。

【０００５】一方、非線形効果を利用する光増幅器の中
で、たとえば、パラメトリック増幅器については、前述
したように、信号／雑音比の劣化を３ｄＢ以下にできる
ことが報告されている。

【０００６】しかし、この場合、反対に、誘導放出を利
用した上記光増幅器の小型で高感度という利点を失うこ
とになる。更に、非線形効果を利用した光増幅器では、
多くの非線形材料が絶縁体であるため、電流注入の手段
を用いては増幅できない、実用上の大きな欠点が有る。

【０００７】本願発明の第１の目的は、光増幅の高効率
特性を維持しつつ、信号／雑音比の劣化が少ない新たな
光増幅器を提供するものである。

【０００８】本願発明の第２の目的は、光増幅の高効率
特性を維持しつつ、極めて簡便な手段によって信号の増
幅がなされる新たな光増幅器を提供するものである。

【０００９】本願発明の第３の目的は、光増幅の高効率
特性を維持しつつ、信号／雑音比の劣化が少なく且つ小
型なる新たな光増幅器を提供するものである。

【００１０】こうした諸目的の達成によって、上述の光
システムから光増幅器に要請される信号／雑音比の劣化
が少なく、増幅が高効率になされ、且つ極めて簡便な手
段によって信号の増幅がなされる新たな光増幅器を提供
することが出来る。

【００１１】このように、本願発明は、上述のパラメト
リック効果を用いた信号／雑音比の劣化の少ない従来の
光増幅器の欠点を解消し、一方、誘導放出を利用した光
増幅器の長所を取り入れた新しい光増幅器を提供するこ
とが出来る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本願発明の基本的な技術
思想の要点を列挙すれば次の通りである。

【００１３】本願発明は、一本以上の光導波路に入力さ
れる光信号を増幅することができる装置であって，エネ
ルギーの異なる二種類のポラリトンの間のポラリトン−
ポラリトン遷移を利用する光増幅器である。尚、光の増
幅の為、両ポラリトン間に反転分布状態を得る必要があ
ることは言うまでもない。

【００１４】尚、室温以上の高温でもポラリトンを安定
に存在させるための手段として、そのポラリトンを構成
する励起子の発光波長に対応する回折格子（グレーティ
ング）を用いて好適である。

【００１５】また、ポラリトン−ポラリトン遷移を増強
するために２つのポラリトンを構成する励起子が存在す
る２つ以上の層を、各層構成の持つ波動関数を相互に重
ねて所望の増幅率を得るようにする。この間隔は、概ね
数ｎｍ以内に近接させることが有用である。

【００１６】２種類のポラリトンのうち高エネルギー側
のポラリトンを、そのポラリトンを構成する励起子とし
て、電子と正孔の電極からの注入することが、実用上の
制御性および取り扱いの容易性の観点から極めて有用で
ある。

【００１７】次に、より具体的に本願発明の光増幅器の
基本構成を説明する。

【００１８】本願発明の光増幅器は、導波路内に、光の
進行方向に延在し且つ第１のポラリトンを確保し得る第
１のエネルギー準位群を有する量子井戸領域と、光の進
行方向に延在し且つ第２のポラリトンを確保し得る第２
のエネルギー準位群を有する量子井戸領域とを少なくと
も有する光共振器を有し、前記第１のエネルギー準位群
は前記第２のエネルギー準位群より高いエネルギーを有
し、当該量子井戸領域のエネルギーの低い順位よりの誘
導放射による放射寿命が、当該量子井戸領域のエネルギ
ーの低い順位の位相緩和時間より小さい状態を有するこ
とを特徴とするものである。

【００１９】本光増幅器の基本構成例は、結合量子井戸
で構成される少なくとも二つの量子井戸構造を準備し、
この量子井戸構造の近傍に、この二つの量子井戸領域の
伝播光の特定波長に共鳴する二種類の回折格子が配され
る。この場合、（１）二種類の回折格子を各々前記結合
量子井戸導波路を挟んで両側に設ける場合や、（２）二
種類の回折格子を前記結合量子井戸導波路に隣接して並
列に設ける場合、さらには（３）二種類の回折格子を前
記結合量子井戸導波路の入射窓または出射窓の近傍に設
ける、あるいは二種類の回折格子を前記結合量子井戸導
波路の入射窓および出射窓の両者の近傍に設ける、など
の種々の形態が考えられる。要は特定波長が当該回折格
子に共鳴すれば良い。以下の実施の形態での例は、上記
（１）、（２）の例である。この回折格子は、通例光の
進行方向と平行な面に延在して設けられる。

【００２０】上述した通り、室温以上の温度までポラリ
トンを安定に存在させる為、回折格子を用いるものであ
る。この二種類の回折格子はバンド理論における二つの
状態、状態１−状態２間、状態１−状態３間の発光波長
に共鳴する回折格子である。特定の波長のみを透過する
ようにするためこれらの二種類の回折格子は相互に１／
４波長シフトの状態に形成される。上述の回折格子は通
例のエッチング等の方法によって形成される。

【００２１】勿論、光増幅器の材料系によって具体的諸
特性が左右されることはいうまでも無い。ＧａＡｓ系の
材料では７７K程度まで、ＧａＮ系やインオルガニック
ーオルガニック ペロブスカイト材料（Ｉｎｏｒｇａｎ
ｉｃ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅｓ）では
室温程度までの高温で本願発明の効果が実現できる。

【００２２】最も構成し易い構造では、二つのポラリト
ンが存在するように二つの量子井戸層構造がバリア層を
挟んで併置されている。こうした構造を結合量子井戸構
造と称する。このバリア層は、実用上効果を十分奏する
為、概ね１５ｎｍより薄く形成される。

【００２３】また、こうした複数のポラリトンが存在す
るように複数の量子井戸層構造を積層することも可能で
ある。

【００２４】尚、活性層となる量子井戸層はＧａＩｎ
Ｎ、ＧａＩｎＮＡｓなど、バリア層はＡｌ_xＧａ_1-xＮな
どを用いることが出来る。クラッド層はＡｌ_yＧａ_1-yＮ
などを、前記導波路用のコア層としてはＡｌ_zＧａ
_1-zＮ、などを用いることが出来る。尚、コア、クラッ
ドの関係から、ｚ＜ｙの関係を選択することは言うまで
も無い。まだ、クラッド、コアの材料は、その他の有機
樹脂、無機材料をも用いることが出来る。これらを例示
すれば、ポリイミド樹脂、ＰＩＱ（ポリイミドイソイン
ドロキナゾリンジオン）樹脂、ポリスチレン樹脂、ある
いはシリカなどである。

【００２５】更に、結合量子井戸構造を構成するに、レ
イヤード ペロブスカイト（ｌａｙｅｒｅｄ Ｐｅｒｏ
ｖｓｋｉｔｅｓ）であるインオルガニックーオルガニッ
クペロブスカイト材料（Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ−Ｏｒｇａ
ｎｉｃ Ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅｓ）が有用である。この
材料は所望個所に塗布することによって、その特有のイ
ンオルガニックーオグガニック構造によって前記の結合
量子井戸構造を実現出来る。具体的材料として、（１）
ビス・アルキルアンモニウム・メタル（ＩＩ）テトラハ
ライド（ｂｉｓ−（ａｌｋｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ）ｍｅ
ｔａｌ（ＩＩ）ｔｅｔｒａ−ｈａｌｉｄｅ：（Ｃ_nＨ
_2n+1ＮＨ３）₂ＭＸ₄（ここで、ｎ＝２，３，４、…、１
８、Ｍ＝Ｃｄ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｐｄ、あるいはＰ
ｂ、Ｘ＝Ｃｌ、Ｂｒ、あるいはＩ）、あるいは（２）
（Ｃ_nＨ_2n+1ＮＨ₃）₂（ＣＨ₃ＮＨ₃）_m-1Ｐｂ_mＩ_3m+1を
挙げることが出来る。

【００２６】尚、こうしたインオルガニックーオルガニ
ック ペロブスカイト材料自体については、例えば
「Ｔ．Ｏｇａｗａ ａｎｄ Ｙ． Ｋａｎｅｍｉｔｓｕ：
Ｏｐｅｔｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｄｉｍ
ｅｎｓｉｏｎａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｗｏｒｌｄ Ｓ
ｃｉｅｎｔｉｆｉｃ、１９９５」の第６章に詳しい。

【００２７】こうしたインオルガニックーオルガニック
ペロブスカイト材料を用いると、有機材料層部分が量
子井戸領域、この有機材料層部分の外周に形成される無
機材料層がバリア層を構成する。こうしたインオルガニ
ックーオグガニック層の複数層を重ねて形成することに
よって、複数の量子井戸構造を実現することが出来る。

【００２８】次に、本願発明の物理的な原理を説明す
る。

【００２９】図１は本願発明の原理の原形となるバンド
理論に基づくエネルギ・ダイアグラムである。図１にお
いて、１は通例基底状態に対応する状態１、２は状態
２、３は状態３を表わす。パラメトリック効果を利用し
た光増幅器は、図１に示された状態において、ポンプ光
が２次の非線形効果によって、ポンプ光４が信号光５と
アイドラー光６の２つの光に変換されることを利用して
いる。そして、ポンプ光４の周波数は信号光５とアイド
ラー光６の各々の周波数の和の周波数となっている。
尚、図１では、符号４，５、および６は、図中、ポンプ
光など光自体の説明を付しているが、これらの各符号は
各光に対応するエネルギー・ギャップの大きさを示して
いる。図２においても同様である。

【００３０】図２は本願発明の基本構成を説明する為の
エネルギ・ダイアグラムである。このエネルギ・ダイア
グラムは図１の原形を基に具体的に光増幅器の実現が可
能なように変形されたものである。

【００３１】図１の状態３は仮想状態で、実準位からは
アイドラー光もしくは信号光の光のエネルギーが存在す
るわけではない。それゆえ、大きな非線形感受率をもっ
た物質でさえ、高いエネルギーの光ポンプを必要とし、
信号光強度についての制約も大きくなる。

【００３２】ところが、通常の条件で状態３を実準位に
置き換えたとすると、状態２、状態３間に反転分布を生
じさせて、増幅させることができる。図２はこの状態を
説明する為のバンド構造図である。しかし、このまま反
転分布を実現しても、普通の誘導放出を利用した光増幅
器を利用した場合と同様に信号／雑音比に制限が発生す
る。

【００３３】図２において、図１と同様に１は通例基底
状態に対応する状態１、２は状態２、３は状態３を表わ
す。ポンプ光が２次の非線形効果によって、ポンプ光４
が信号光５とアイドラー光６の２つの光に変換されるこ
とを利用している。そして、ポンプ光４の周波数は信号
光５とアイドラー光６の各々の周波数の和の周波数とな
っている。図２には、入射光１３が、増幅された出力光
１５となる状態を示している。尚、アイドラー光は符号
１４として示されている。

【００３４】今、状態３の放射寿命がキャリアの位相緩
和時間よりも十分短ければ、信号光とアイドラー光の間
のコヒーレンスが保たれ、アイドラー光をスクイーズ状
態にすれば、信号／雑音比を改善することができる。本
願発明は実効的に状態３の放射寿命をキャリアの位相緩
和時間よりも短くなるようにして、信号光とアイドラー
光のコヒーレンスをとるようになすものである。

【００３５】図１の状態２−１間の遷移と状態３−１間
の遷移に同時に共鳴するの共振器を用意する。これは上
述した結合量子井戸で構成される少なくとも二つの導波
路に対応する。

【００３６】この時、状態２と状態３はドレスド状態ま
たは励起子ポラリトンと呼ばれる光と遷移に付属する双
極子モーメントの共鳴状態になり、それぞれ、２準位に
分裂する。このとき、これら４つの状態は（ｗ２±、ｋ
２±）と（ｗ３±、ｋ３±）と指数付けされる。これら
（ｗ２±、ｋ２±）と（ｗ３±、ｋ３±）の各々を、ラ
ビ準位と称し、７，８および９，１０として図示され
る。また、光による準位の分裂量はラビ分裂量と呼ば
れ、それぞれ、Ω２、Ω３と記す。

【００３７】尚、本願明細書において、（ｗ２±、ｋ２
±）などは、(ω2±,k2±)を示すものとする。

【００３８】ここで上記共振器は次の条件 ｈΩｋ ≫ ｋＴ、 γk、photon、γk、carrier （ｋ=２、３)（条件１）… …式１ を満たすように作製されるものとする。 ここでｈはプ
ランク定数を２πで割ったもの、ｋＴは熱エネルギー、
γk、photon は共振噐中の光の寿命できまる線幅、γ
k、carrierはそれぞれの準位にあるキャリアの位相緩和
時間から決まる線幅である。

【００３９】さらに、装置に入射する信号光を （ｗ１＝ｗ３±−ｗ２±、ｋ１＝ｋ３±− ｋ２±）（複合任意） （条件２）……式２ となるようにする。

【００４０】今、(ｗ１、ｋ１)の入射により、状態（ｗ
２±、 ｋ２±）から誘導放射によって緩和したとす
る。（条件２）より、緩和した後の状態は状態（ｗ３
±、 ｋ３±）であるから放射寿命は２π／Ωｋ となる
が、この時間は（条件１）より状態（ｗ３±、 ｋ３
±）の位相緩和時間よりも十分短い。それゆえ、信号光
とアイドラー光の間の量子相関がとれて、状態（ｗ３
±、 ｋ３±）をスクイーズド状態とすることによって
信号光の信号／雑音比の劣化は、大幅の低下する。そし
て、これまでこうした光増幅器の信号／雑音比の理論的
限界と言われた３ｄＢ以下になすことが可能となる。

【００４１】尚、スクイーズド状態とは、二つの直交す
る偏光成分の一方の量子雑音が、標準量子限界よりも小
さくなっている状態をさす。本願発明はこの標準量子限
界よりも小さくなっている偏光成分を用いることによっ
て、これまでの信号／雑音比の理論限界を越える特性を
得るものである。尚、コヒーレント状態、スクイーズド
状態など量子力学的な光の取り扱いの詳しい理論は、例
えば、「光通信理論：光通信理論研究会編、１９９０」
などに明らかである。

【００４２】次に、本願発明が電流注入の手段によって
動作が可能なことを説明する。

【００４３】状態２、状態３は回折格子を用いた共振器
の効果によってエネルギーと運動量が良い量子数になっ
た状態が実現している。

【００４４】それゆえ、キャリアを状態２もしくは状態
３に導入するだけでドレスド状態（ｗ２±、ｋ２±）、
（ｗ３±、ｋ３±）が形成される。とくに、状態（ｗ２
±、ｋ２±）を形成するために、光を用いる必要はな
く、電流注入で運動量も規定された状態が形成され、状
態３との間で反転分布を作ることができる。この反転分
布状態を利用して光増幅を容易に実現することが出来
る。

【００４５】本願発明は、雑音特性の向上以外に以下に
述べるような利点を有する。その原理を説明する。

【００４６】状態２から状態３を通って状態１に緩和す
る遷移を摂動論で扱ったとする。遷移は２回の連続する
共鳴放射として扱われるから、遷移確率は仮想状態を経
由した遷移確率よりもｗ１／γ１× ｗ２／γ２倍だけ
改善する。ここでγ１、γ２はそれぞれ、状態２から状
態３への遷移と状態２から状態３への遷移にともなう線
幅である。それゆえ、弱いポンプ光、信号光に対しても
十分動作する。さらに、状態２、状態３は極端に高い励
起状態にする必要がなく、入射信号光強度に対する許容
度も高い。また、同じ理由で十分な利得（ゲイン）をと
ることができて装置を小型にすることができる。

【００４７】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）本実施の形態１
は電流注入によってポンプ光を生成する電流注入型の光
増幅器の例である。

【００４８】図３、図４を用いて実施の形態１を説明す
る。図３は信号光の伝播方向に平行な面での断面図、図
４は信号光の伝播方向に交差する面での断面図である。

【００４９】実施の形態１の基本構成は、結合量子井戸
で構成される活性層領域（３０３，３０４）とこれらを
挟んで二つの導波路が配される。この二つの導波路に
は、二種類の回折格子（３０１，３０２）が設けられ
る。活性層領域は２つの励起状態を有するように構成さ
れる。そして、前記二種類の回折格子はこの２つの励起
状態の発光波長に共鳴する回折格子である。２つの励起
状態とは、前記の説明における状態１−２間、状態１−
３間に対応する。尚、前記の回折格子は、光の進行方向
と平行な面と平行な面に延在して設けられる。特定の波
長のみを透過するようにするためこれらの回折格子に１
／４波長シフト（３１６，３１７）を形成する。そして
これらを挟んで、光の導波の為に、少なくとも２つのク
ラッド層（３０９，３１０）が設けられる。更に、これ
らの両クラッド層を介して特性制御の為のｎ型、ｐ型電
極が形成される。以下に各構成部分を詳細に説明する。

【００５０】前記両活性層領域は電子正孔対を成生す
る。ここで両活性層領は前記状態２および状態３に対応
する励起状態が存在するようにする。このとき基底準位
（状態１）と状態２の間および状態３との間と状態２、
３の間の光学的遷移許されていなければならない。

【００５１】この２準位の構成方法としては２種類の膜
厚の異なる量子井戸を接近して配置し、電子及び正孔の
波動関数が重なるようにする方法（結合量子井戸を形成
する方法）や、単一の量子井戸中の２つのサブバンドを
利用する方法などがある。

【００５２】本実施の形態では前者の方法を採用した。
従って、前記両量子井戸（３０３，３０４）の間にはバ
リア層（３０５）が設けられている。

【００５３】二つの導波路には、二種類の回折格子（３
０１，３０２）が設けられる。これは、状態１−２間、
状態１−３間の発光波長に共鳴する二種類のピッチの回
折格子である。更に、特定の波長のみを透過するように
するためこれらのグレーティングに1/4波長シフトの回
折格子（３１６，３１７）を形成する。ドレスド状態
（ｗ２±、ｋ２±）と（ｗ３±、ｋ３±）の間に反転分
布を形成するために、状態１−３間の遷移に対応する回
折格子のモードとの結合定数は、状態１−２間の遷移に
対する回折格子のモードとの結合係数より小さくするこ
とによって、ドレスド状態（ｗ３±、ｋ３±）が速やか
緩和するようにしなければならない。

【００５４】次に具体的な製造工程を説明する。各半導
体層自体の製造方法は、通例の方法に従って十分であ
る。結晶成長用の基板は、サファイア基板、ＧａＮ基板
などを用いることが出来る。

【００５５】所定のサファイア基板３１４上に低温成長
によって緩衝層として多結晶ＧａＮ３１３を厚さ１００
ｎｍ、 この上にｎ型コンタクト層としてn型ＧａＮ層３
１２を厚さ５００ｎｍに成長する。

【００５６】尚、以下、具体的各層の厚みなどは、上記
の例のほか、通例の量子効果を用いた半導体素子の知識
に従って設計可能である。

【００５７】更に、導波路のクラッドとなるn型Ａｌ
_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層３１０を厚さ５００ｎｍを形成する。
そして、状態１−３間遷移に対応する回折格子３０２を
周知のエッチング法によって形成する。この層の上部に
導波路のコアとなるn型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層３０７を厚
さ８００ｎｍ、結合量子井戸層となる第１の量子井戸層
３０３、バリア層３０５および第２の量子井戸層３０４
を形成する。この場合、前記第１の量子井戸層ＧａＩｎ
Ｎを厚さ８ｎｍ、第２の量子井戸層はＧａＩｎＮを厚さ
７ｎｍ、およびバリア層Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎの厚さは５ｎ
ｍとした。

【００５８】これらの層を逆向きにコア層p型Ａｌ_0.2Ｇ
ａ_0.8Ｎ層３０７を厚さ８００ｎｍを形成し、これに、
状態１−３に共鳴する回折格子３０１を形成する。更
に、この上部にクラッド層となるｐ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75
Ｎ層３０９を厚さ５００ｎｍ、そして、p 型コンタクト
層としてp型ＧａＮ層３１１を厚さ５００ｎｍに形成す
る。以下の工程は主に図４を参酌して説明する。これま
での工程によって形成された半導体積層体を層クラッド
層３１０の途中までリッジ形状にドライエッチングによ
って一部除去する。しかる後にパッシベーション膜とし
て熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ）によるＳｉＯ₂層４０２を形成する。、
ポリイミド材料４０１にてリッジを埋め込む。

【００５９】さらに、リッジ近傍の一部の領域のポリイ
ミド層をエッチングによって除去し、この除去された部
分の所定領域にn 電極４０３を形成するとともに、リッ
ジ上部にも形成されたポリイミド層と酸化膜をエッチバ
ックにより除き、p電極３１５を形成する。こうして電
流注入型の光増幅器が完成する。

【００６０】この光増幅器の導波路の一方の端面から信
号光を入射し、他方の端面からアイドラー光の入力およ
び増幅された信号光を取り出すこととなる。尚、本例で
は信号光は１．５５μｍ帯を用いた。

【００６１】本実施の形態１では、導波路長１ｍｍの素
子にて約２０ｄＢの増幅率と１．５ｄＢの過剰ノイズの
低減を得ることが出来た。また、ＮＦ（Ｎｏｉｓｅ Ｆ
ｉｇｕｒｅ）は３．５ｄＢであった。また、直流電流源
によって１ｍＡ−１００ｍＡの電流を注入することによ
って、この電流値に応じて光の増幅を制御することが出
来る。

【００６２】図７は本光増幅器の動作時の全体構成を示
すものである。光増幅器７０に入力信号７２が入射され
る。一方、光増幅器７０の反対側には方向性結合器７６
を介してアイドラー光生成部(スクイ-ズされた真空場と
みなされる)７２よりのアイドラー光が入され、また、
出力信号光７３が取り出される。尚、７４は電流注入手
段への定電流源である。アイドラー光生成部７２として
は、半導体レーザ装置、非線形光学素子（ＫＴＰ，Ｌｉ
ＮｂＯ₇など）などを用いることが出来る。

【００６３】（実施の形態２）実施の形態２は光ポンプ
による光信号増幅器の例である。

【００６４】図５、図６を用いて実施の形態２を説明す
る。図５は信号光の伝播方向に平行な面での断面図、図
６は信号光の伝播方向に交差する面での断面図である。

【００６５】実施の態様２の基本構成は、実施の形態１
の場合と基本は同様である。結合量子井戸で構成される
活性層領域（５０３，５０４）とこれらを挟んで二つの
導波路が配される。この二つの導波路には、二種類の回
折格子（５０１，５０２）が設けられる。この例の場
合、回折格子は、結合量子井戸に隣接して基板側と反対
側に設けられている。活性層領域は２つの励起状態を有
するように構成される。そして、前記二種類の回折格子
はこの２つの励起状態の発光波長に共鳴する回折格子で
ある。２つの励起状態とは、前記の説明における状態１
−２間、状態１−３間に対応する。尚、前記の回折格子
は、光の進行方向と平行な面と平行な面に延在して設け
られる。特定の波長のみを透過するようにするためこれ
らのグレーティングに１／４波長シフトを形成する。そ
してこれらを挟んで、光の導波の為に、少なくとも２つ
のクッラド層（５０６，５０７）が設けられる。

【００６６】次に具体的な製造工程を説明する。各半導
体層自体の製造方法は、通例の方法に従って十分であ
る。結晶成長用の基板は、シリコン基板、サファイア基
板などを用いることが出来る。

【００６７】シリコン基板５０８上にＳｉＯ₂膜５０６
を厚さ５００ｎｍに形成する。このＳｉＯ₂膜５０６上
に第１の回折格子５０２が形成される。

【００６８】この回折格子５０２が形成されたＳｉＯ₂
膜５０６上に、活性層材料として、２種類のＰｂ系ペロ
ブスカイト材料５０３，５０４を重ねて、塗布によって
形成する。第１のペロブスカイト材料５０３は（Ｃ₁₀Ｈ
₂₁ＮＨ₃）₂ＰｂＩ₄を、第２のペロブスカイト材料５０
４は（Ｃ₁Ｈ₃ＮＨ₃）₂ＰｂＩ₄を用いた。この例では、
図５に示すように、これらのペロブスカイト材料層は回
折格子の凹部内に形成された。

【００６９】次いで、導波路のコアとなる層５０５をポ
リイミド材料で形成し、このコア層５０５の上に、第２
の回折格子５０１を形成する。更に、この上部にクラッ
ド層５０７をポリイミド材料にて形成する。ここで回折
格子５０１、５０２はそれぞれ２種類のペロブスカイト
材料５０３，５０４に共鳴するようなピッチで形成され
る。

【００７０】こうして形成された積層体を周知のドライ
エッチングにて、図６に見られるようなメサ型導波路構
造体を形成する。しかる後、クラッド層５０７を覆っ
て、クラッド層を構成するポリイミド材料より屈折率の
低いポリイミド材料よりなる埋め込み層５０９にて、当
該メサ型導波路構造体の光の進行方向と平行な側面を埋
め込む。こうして 、光ポンプ型の光増幅器が完成す
る。

【００７１】尚、以下、具体的各層の厚みなどは、上記
の例のほか、通例の量子効果を用いた半導体素子の知識
に従って設計可能である。

【００７２】この光増幅器の導波路の一方の端面から信
号光とポンプ光を入射し、他方の端面からアイドラー光
を入射すると共に、増幅された信号光を取り出すことと
なる。

【００７３】実施の形態２では、導波路長２ｍｍの素子
にて約１５ｄＢの増幅率と２ｄＢの過剰ノイズの低減を
得ることが出来た。また、ＮＦは２．８ｄＢであった。
本例では信号光は１．５５μｍ帯を用いた。

【００７４】図８は本光増幅器の動作時の全体構成を示
すものである。光増幅器７０に方向性結合器７６を介し
て入力信号７１およびポンプ光生成部７５よりのポンプ
光が入射される。一方、光増幅器７０の反対側には方向
性結合器を７７介してアイドラー光生成部７２(スクイ-
ズされた真空場とみなされる)よりのアイドラー光が入
され、また、出力信号光７３が取り出される。ポンプ光
生成部７５として半導体レーザ装置が最適である。ま
た、アイドラー光生成部７２としては、半導体レーザ装
置、非線形光学素子（ＫＴＰ，ＬｉＮｂＯ₇など）など
を用いることが出来る。

【００７５】尚、実施の形態２の構造を実施の形態１で
用いたＧａＩｎＮ系の材料によって製造出来ることは言
うまでもない。

【００７６】また、逆に実施の形態１のような電流注入
型の光増幅器を、前述のインオルガニックーオグガニッ
ク ペロブスカイト系材料を用いても実現出来ることも
言うまでもない。

【００７７】

【発明の効果】本願発明は、光増幅の高効率特性を維持
しつつ、信号／雑音比の劣化が少ない新たな光増幅器を
提供出来る。更には、本願発明は、光増幅の高効率特性
を維持しつつ、極めて簡便な手段によって信号の増幅が
なされる新たな光増幅器を提供出来る。

【００７８】信号／雑音比の劣化をこれまでの非線形効
果を用いた光増幅器の理論限界以下を実現出来る。特
に、低い信号／雑音比に抑えつつ、高効率で電流注入に
よる増幅も可能な光増幅器を提供出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の機能のための原型となるエネル
ギーダイヤグラムである。

【図２】図２は本発明の基本構成に対応する基本エネル
ギーダイヤグラムである。

【図３】図３は本発明の電流注入型の基本構造の信号光
の伝搬方向に平行な断面図である。

【図４】

【図５】図５は本発明の光ポンプ型の基本構造の信号光
の伝搬方向に平行な断面図である。

【図６】図６は本発明の光ポンプ型の基本構造の信号光
の伝搬方向に垂直な断面図である。

【図７】図７は電流注入型光増幅器の動作状態を示す全
体構成図である。

【図８】図８は図７は光ポンプ型光増幅器の動作状態を
示す全体構成図である。

【符号の説明】

１：状態１、２：状態２、３：状態３、４：ポンプ光に
対応するエネルギー・ギャップ、５：信号光に対応する
エネルギー・ギャップ、６：アイドラー光に対応するエ
ネルギー・ギャップ、７，８，９，１０：ラビ準位、１
２：ポンプ光、１３：入射光、１４：アイドラー光、１
５：出力光、３０１、３０２：回折格子、３０３、３０
４：活性層領域、３０５：バリア層、３０６、３０７：
導波路のコア層、３０８：１／４波長シフト、３０９，
３１０：導波路のクラッド層、３１１：p型コンタクト
層、３１２：n型コンタクト層、３１３：緩衝層、３１
４：サファイア基板、３１５：p-電極、４０１：埋め込
み層（例：ＳＯＧ）、４０２：絶縁層（例：ＳｉＯ
２）、４０３：n-電極、５０１，５０３：回折格子、５
０３，５０４：活性層領域、５０５：導波路のコア、５
０６、５０７：導波路のクラッド、５０８：シリコン基
板、５０９：埋込層、７０：光増幅器、７１：入射信号
光、７２：アイドラー光生成部、７３：出力信号光、７
４：定電流源、７５：ポンプ光生成部、７６，７７方向
性結合器である。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】導波路内に光の進行方向に延在する量子井
   戸構造を少なくとも有する光共振器を有し、当該量子井
   戸構造はエネルギー準位に相違のある少なくとも２種類
   のポラリトンを確保し得る量子井戸領域であって、当該
   量子井戸領域のエネルギーの低い準位群よりの誘導放射
   による放射寿命が、当該量子井戸領域のエネルギーの低
   い準位群の位相緩和時間より小さい状態を有することを
   特徴とする光増幅器。
2. 【請求項２】 導波路内に、光の進行方向に延在し且つ
   第１のポラリトンを確保し得る第１のエネルギー準位群
   を有する量子井戸領域と、光の進行方向に延在し且つ第
   ２のポラリトンを確保し得る第２のエネルギー準位群を
   有する量子井戸領域とを少なくとも有する光共振器を有
   し、前記第１のエネルギー準位群は前記第２のエネルギ
   ー準位群より高いエネルギーを有し、当該量子井戸領域
   のエネルギーの低い順位よりの誘導放射による放射寿命
   が、当該量子井戸領域のエネルギーの低い順位の位相緩
   和時間より小さい状態を有することを特徴とする光増幅
   器。
3. 【請求項３】 導波路内に、光の進行方向に延在し且つ
   第１のポラリトンを確保し得る第１のエネルギー準位群
   を有する量子井戸領域と、光の進行方向に延在し且つ第
   ２のポラリトンを確保し得る第２のエネルギー準位群を
   有する量子井戸領域と、当該各量子井戸領域の近傍に、
   前記第１のポラリトンおよび第２のポラリトンを構成す
   る各励起子の各発光波長に対応する複数の回折格子と、
   当該複数の量子井戸領域を含むコア層と、当該コア層
   と、複数のクラッド層とを少なくとも有する光共振器を
   有し、前記第１のエネルギー準位群は前記第２のエネル
   ギー準位群より高いエネルギーを有し、前記第２のエネ
   ルギー準位群よりの誘導放射による放射寿命が、前記第
   ２のエネルギー準位群の位相緩和時間より小さい状態を
   有することを特徴とする光増幅器。
4. 【請求項４】前記量子井戸領域のエネルギーの高い準位
   群よりの誘導放射による放射寿命が、前記量子井戸領域
   のエネルギーの高い準位群の位相緩和時間より小さい状
   態を有することを特徴とする請求項２または請求項３に
   記載の光増幅器。
5. 【請求項５】前記第１のポラリトンを構成する励起子を
   注入する手段を有することを特徴とする請求項２、請求
   項３または請求項４に記載の光増幅器。