JP4005705B2

JP4005705B2 - Broadband semiconductor optical amplifier

Info

Publication number: JP4005705B2
Application number: JP20672798A
Authority: JP
Inventors: 克之井本
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1998-07-22
Filing date: 1998-07-22
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2018-07-22
Also published as: JP2000040852A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、活性層に電流を注入することにより、活性層中を伝搬する光が増幅されるようにした半導体光増幅器に係り、特に、広帯域に亘って平坦な利得特性を有する広帯域半導体光増幅器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
波長多重伝送を用いた高速、大容量、長距離伝送方式及びそれに用いる光デバイスの研究開発が活発に行われている。上記方式を実現する上で広帯域な光増幅器は必須のデバイスである。この光増幅器として小型化、低コスト化が期待できる半導体光増幅器が注目され、その広帯域化のための構成に関する提案が多く行われるようになってきた。その一つに、図７に示すものがある（特開平４−２９１９８３号）。これは、半導体光増幅器において、活性層４３ａ，４３ｂと光導波路４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂの一方又はその両方の光の進行方向の途中に単数又は複数の屈折率が変化する部分を備え、これらの屈折率が変化する部分の間で各々が光結合した複合共振器が形成されるよう構成したものである。また、上記それぞれの複合共振器に電極４６ａ，４６ｂを設け、各電極から注入する電流によって複合共振器の共振ピークを独立に制御できるように構成したものである。
【０００３】
また、別の広帯域化のための構成として、図８に示されるように、活性層６４を２層以上の積層構造（６６，６８）とし、上記活性層を構成する各層６６，６８を同一の組成成分であるがエネルギ・ギャップが互いに異なる材料で構成し、各層の膜厚を互いに同一の値とするか又は互いに近い値とする構成が提案されている（特開平３−７６１８６号）。そして、各層のエネルギ・ギャップを各層の材料の組成比を変えることによって異なる値に設定してもよいように提案されている。
【０００４】
さらに、特開平６−２８３８２４号には、活性領域が光閉じ込め層と、少なくとも一層が他層と厚さが相違し、かつ格子不整合とされた複数の量子井戸層と、各量子井戸層間に量子井戸層に接して形成された障壁層とで構成されたものも提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体光増幅器の広帯域化方式には次のような課題がある。
【０００６】
（１）図７の構成は、２０〜３０ｎｍの波長範囲では、ある程度の平坦な利得特性を得ることが可能と考えられるが、それよりも広帯域化は期待できない。なぜならば、第一共振器の活性層の材料と第二共振器の活性層の材料とが同じであるからである。また、これら２つの共振器の材料を異ならせることが製法上難しいからである。
【０００７】
（２）図８の構成では活性層６４をエネルギ・ギャップの異なる２層以上の積層構造とすることによって広帯域化を図るものであるが、積層された活性層の全厚みを必然的に厚くしなければならないので、厚み方向の光閉じ込め効果が弱くなると共に、しきい値電流の上昇などにより光出力の減少を招く。
【０００８】
（３）特開平６−２８３８２４号の構成も（２）と同様の問題点がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、広帯域に亘って平坦な利得特性を有する広帯域半導体光増幅器を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、基板上に下部クラッド層、活性層及び上部クラッド層を積層し、この上部クラッド層上に上部電極を装荷し、前記基板下に下部電極を装荷し、前記上部電極より前記活性層に電流を注入することにより、前記活性層中を伝搬する光が増幅されるようにした半導体光増幅器において、前記活性層を光の伝搬方向に並ぶ２つの活性層に分割し、一方の活性層は波長の長いバンド・ギャップ波長を中心とする利得特性を有し、他方の活性層は波長の短いバンド・ギャップ波長を中心とする利得特性を有するように、これら２つの活性層を組成成分が互いに共通でエネルギ・ギャップが互いに異なる材料で構成し、光の入射側の活性層には光の伝搬方向に層厚が減ずるテーパ部を形成し、光の出射側の活性層には光の伝搬方向とは逆方向に層厚が減ずるテーパ部を形成し、これらテーパ部を重ね合せることにより前記２つの活性層を光結合させたことにより上記一方の活性層の利得特性と上記他方の活性層の利得特性とを重ねて広帯域に平坦な利得特性を得たものである。
【００１１】
前記２つの活性層は前記テーパ部に連続する一定層厚部を有し、これら２つの一定層厚部は層厚が互いに等しいか近似してもよい。
【００１２】
前記２つの活性層の組成成分の組成比を互いに異ならせることによりエネルギ・ギャップを互いに異ならせてもよい。
【００１３】
前記上部電極を前記２つの活性層の中間部分の上部で分離し、分離されたそれぞれの上部電極より独立に電流を注入するようにしてもよい。
【００１４】
前記上部電極を前記出射側活性層の上部で分離し、出射端に近いほうに分離された上部電極に逆方向電圧を印加することにより、前記出射側活性層の出射端側を可飽和吸収部としてもよい。
【００１５】
前記活性層の入出射端に窓領域を設けてもよい。
【００１６】
前記活性層をバルク構造、量子井戸構造又は歪量子井戸構造としてもよい。
【００１７】
前記２つの活性層間に障壁層を設けてもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１９】
図１に示されるように、本発明の広帯域半導体光増幅器は、ＩｎＰ（ｎ⁺）基板１上に、下部クラッド層となるＩｎＰ（ｎ）クラッド層２、活性層３、上部クラッド層となるＩｎＰ（ｐ）クラッド層４、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５を積層し、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５上に上部電極６を装荷し、ＩｎＰ（ｎ⁺）基板１下に下部電極７を装荷したものである。８−１，８−２は、光の入射端面及び出射端面に施した無反射コーティング層、９は、しきい値電流以下の順方向電流Ｉｋを注入する端子である。１０は、入射端面へ入射させる信号光を示し、１１は、出射端面より出射される増幅された信号光を示す。
【００２０】
本発明の特徴として、活性層３が光の伝搬方向に並ぶ２つの活性層３−１，３−２に分割されている。光の入射側に位置する活性層３−１を入射側活性層と呼び、出射側に位置する活性層３−２を出射側活性層と呼ぶことにする。これら２つの活性層３−１，３−２は、組成成分が互いに共通でエネルギ・ギャップが互いに異なる材料で構成されている。即ち、入射側活性層３−１は、組成成分としてＩｎ，Ｇａ，Ａｓ，Ｐを有し、バンド・ギャップ波長がλｈとなるような材料Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_1-yＰ_yで構成され、出射側活性層３−２は、組成成分としてＩｎ，Ｇａ，Ａｓ，Ｐを有し、バンド・ギャップ波長がλｌとなるような材料Ｉｎ_1-tＧａ_tＡｓ_1-uＰ_uで構成されている。バンド・ギャップ波長λｈは、バンド・ギャップ波長λｌよりも長いものとする。
【００２１】
また、本発明の特徴として、２つの活性層３−１，３−２は、上面と下面とがＩｎＰ（ｎ⁺）基板１に平行な一定層厚部１３ａ，１４ａと、この一定層厚部１３ａ，１４ａに連なりそれぞれ先細りしたテーパ部１３ｂ，１４ｂとを有する。２つの活性層３−１，３−２は、テーパ部１３ｂ，１４ｂを互いに接し合うように重ね合せて光結合されている。テーパ部１３ｂは、ＩｎＰ（ｎ⁺）基板１に平行な下面と、厚さがなくなるまで傾斜した上面とを有し、テーパ部１４ｂは、基板１に平行な上面と、厚さがなくなるまで傾斜した下面とを有し、これらテーパ部１３ｂ，１４ｂは、互いに基板１に平行な面同士を合わせてある。
【００２２】
このようにバンド・ギャップ波長の異なる２種類の活性層３−１，３−２をカスケードに構成し、互いのテーパ部１３ｂ，１４ｂを重ね合せることにより、両活性層３−１，３−２を光結合させてある。テーパ部１３ｂ，１４ｂを重ね合せた部分を結合領域１５と呼ぶことにする。
【００２３】
図１の構成により、広帯域半導体光増幅器は、図２に示すような利得特性を得ることができる。即ち、波長の長いバンド・ギャップ波長λｈを中心とする入射側活性層３−１による利得特性と、波長の短いバンド・ギャップ波長λｌを中心とする出射側活性層３−２による利得特性とを重ねて、広帯域にわたって平坦な利得特性が得られる。
【００２４】
２つの活性層３−１，３−２のバンド・ギャップ波長λｈ，λｌを異ならせる方法として、材料Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_1-yＰ_y及び材料Ｉｎ_1-tＧａ_tＡｓ_1-uＰ_uのｘ，ｙ，ｔ，ｕの値を異ならせる。即ち、共通の組成成分を有するがエネルギ・ギャップが異なる材料で２つの活性層３−１，３−２を構成する。すなわち、Ｉｎ_1-xＧａ_xＡｓ_1-yＰ_y（Ｉｎ_1-tＧａ_tＡｓ_1-uＰ_u）のバンド・ギャップ（エネルギ・ギャップ）Ｅｇと組成ｘ（ｔ），ｙ（ｕ）の間には

の関係があり、またバンド・ギャップＥｇが小さい程、バンド・ギャップ波長λｇは大きくなることが知られている。したがって、上記関係より、バンド・ギャップ波長λｈ，λｌを設定し、これからエネルギ・ギャップＥｇが決まり、このＥｇが決まれば、ｘ，ｙ，ｔ，ｕの値を定めることができる。
【００２５】
また、バンド・ギャップ波長λｈ，λｌを異ならせる方法として、材料の組成比を異ならせるようにしてもよい。即ち、２つの活性層３−１，３−２のＩｎ_1-xＧａ_xＡｓ_1-yＰ_y，Ｉｎ_1-tＧａ_tＡｓ_1-uＰ_uの４元素の組成をｘ＝１，ｔ＝１としてＩｎＧａＡｓ_1-yＰ_y，ＩｎＧａＡｓ_1-uＰ_uの３元素組成としてもよい。
【００２６】
テーパ部１３ｂ，１４ｂを重ね合せて構成した結合領域１５は、活性層３−１内に入射して伝搬する信号光１０が、活性層３−２に効率良く光結合して伝搬して増幅された信号光１１として出射されるように設けたものである。逆に、無反射コーティング層８−２の側から信号光を入射させて無反射コーティング層８−１の側から増幅された信号光を出射するようにしてもよく、この場合でも、結合領域１５により効率良く光結合させることができる。
【００２７】
ＩｎＰ（ｎ）クラッド層２は、下面がＩｎＰ（ｎ⁺）基板１に接し、上面が活性層３−１（一定層厚部１３ａ）、テーパ部１４ｂ、活性層３−２（一定層厚部１４ａ）に接するため層厚が変化している。ＩｎＰ（ｐ）クラッド層４は、下面が活性層３−１（一定層厚部１３ａ）、テーパ部１３ｂ、活性層３−２（一定層厚部１４ａ）に接し、上面がＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５に接するが、上面も下面も活性層３に倣って変化し、層厚は一定である。ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５及び上部電極６も、それぞれ、層厚は一定である。なお、ＩｎＰ（ｐ）クラッド層４の上面をＩｎＰ（ｎ⁺）基板１と平行に形成しても良い。
【００２８】
次に、本発明の広帯域半導体光増幅器の他の実施形態を説明する。
【００２９】
図３に広帯域半導体光増幅器の活性層３の水平断面を示す。図３（ａ）の実施形態では、光の入射端から出射端まで活性層３の幅は一定である。図３（ｂ）、図３（ｃ）の実施形態では、結合領域１５において活性層３の幅が中央で括れるように両テーパ状に形成されている。この活性層３の幅を狭めた部分を幅狭め領域１６と呼ぶことにする。このように幅狭め領域１６を設けることによって、結合領域１５での光の閉じ込めを弱くし、これによって入射側活性層３−１から出射側活性層３−２への結合効果を高めることができる。
【００３０】
また、図３（ｂ）、図３（ｃ）の実施形態では、活性層３の入射端と出射端とに、活性層３が途切れた形のいわゆる窓領域１７−１，１７−２が設けられている。窓領域１７−１，１７−２は、活性層３を水平方向に挟むクラッド層１７と同じ材料でクラッド層１７と連続一体的に形成されている。窓領域１７−１，１７−２を設けることによって、入射光の偏波方向によらず安定でしかも帯域の広い利得特性を実現することができる。
【００３１】
なお、図３（ｂ）の広帯域半導体光増幅器は、各活性層３−１，３−２の幅が窓領域１７−１，１７−２に向かって細くなるようテーパ状に形成されている。このようなデーパ状構造によって活性層内を伝搬する信号の光ビームスポット径を大きくし、入出射端面に配置される光ファイバとの光結合効率を向上させることができる。これに対し、図３（ｃ）の広帯域半導体光増幅器は、各活性層３−１，３−２の幅が幅狭め領域１６以外は一定に形成されている。
【００３２】
なお、活性層３−１の一定層厚部１３ａの層厚と活性層３−２の一定層厚部１４ａの層厚とは、互いに等しいか近似させた値にするのが好ましい。というのは、これらの層厚が互いに異なると、図２に示した、活性層３−１，３−２の利得の波長特性の利得値が相違したり、波長特性が非対称になったりして、結果的にトータルの利得波長特性の平坦性が得にくくなるからである。
【００３３】
図４に示した広帯域半導体光増幅器の別の実施形態では、２つの活性層３−１，３−２の中間部分（結合領域１５）の上部に電極分離溝１８を設けることにより、上部電極６が２つに分離されている。入射側活性層３−１の上部に分離される上部電極６−１には端子９−１より電流Ｉｋ₁を注入し、これとは独立に、出射側活性層３−２の上部に分離される上部電極６−２には端子９−２より電流Ｉｋ₂を注入する。これにより、広帯域半導体光増幅器は、第一増幅部１９と第二増幅部２０とを有することになる。それぞれの注入電流Ｉｋ₁，Ｉｋ₂を独立に調節することにより、トータルの利得波長特性を広帯域に亘って平坦にさせることができる。
【００３４】
図５に示した広帯域半導体光増幅器の別の実施形態では、２つの電極分離溝１８−１，１８−２を設けることにより、上部電極６が３つに分離されている。電極分離溝１８−１は結合領域１５の上部に設けられ、電極分離溝１８−１よりも入射端側の上部電極６は、図４と同様、入射側活性層３−１の上部に分離される上部電極６−１である。電極分離溝１８−２は、出射側活性層の上部に設けられ、電極分離溝１８−２よりも結合領域１５側の上部電極６は上部電極６−２、電極分離溝１８−２よりも出射端側の上部電極６は上部電極６−３である。これにより、広帯域半導体光増幅器は、第一増幅部１９と第二増幅部２０と可飽和吸収部２１とを有することになる。可飽和吸収部２１の上部電極６−３には、端子９−３より逆方向電圧−Ｖｋを印加する。可飽和吸収部２１は、増幅された信号光に含まれる雑音、特に自然放出光による雑音を低減する役目を担う。この雑音低減量は逆方向電圧−Ｖｋの値によって制御することができる。即ち、Ｖｋの値を大きくすることによって、雑音成分をより強く吸収させて減少させることができる。この構成は、図１、図４の構成に比し、利得の値、利得の波長特性及び雑音特性のそれぞれに対し制御性がある（制御できる範囲が広い、制御がしやすい）。
【００３５】
図１、図３、図４及び図５において、活性層３にはバルク構造、量子井戸構造又は歪量子井戸構造のいずれを用いてもよい。活性層３に歪量子井戸構造を用いると、利得の偏波依存性を低く抑えることができる。
【００３６】
また、２つの活性層３−１，３−２間に障壁層を設けてもよい。障壁層を設けると広帯域化と低偏波依存化を促進できることとが知られていが、２つの活性層３−１，３−２間に障壁層を挿入することによって、さらに広帯域化と低偏波依存化とを実現することができる。
【００３７】
本発明は、ここまでの実施形態に限定されない。例えば、図６に示されるように、入射側活性層３−１の下面及び出射側活性層３−２の上面に、ＩｎＧａＡｓＰ光導波路２２−１，２２−２を設け、かつこれら導波路２２−１，２２−２の屈折率を各活性層３−１，３−２の屈折率よりも低い値に設定しておくようにしてもよい。このような構成にすると、各活性層３−１，３−２の結晶成長が容易となる。また、入射側活性層３−１から出射側活性層３−２への光の伝搬を効率良く行わせることができる。
【００３８】
図１、図３、図４、図５及び図６の構成において、広帯域半導体光増幅器の入射端と出射端とにスポットサイズ変換用の光導波部を設けてもよい。スポットサイズ変換用の光導波部は、光導波路のコア断面積を目的のスポットサイズになるように徐々に変化させたものであり、例えば、広帯域半導体光増幅器の活性層３の層厚と同じ厚さのコアを入出射用の光ファイバのスポットサイズに近づくように徐々に小さく変化させてある。このようにすると、光導波部と光ファイバとの光結合が効率よく、かつ光導波部と広帯域半導体光増幅器との光結合が効率よくなるので、光ファイバと広帯域半導体光増幅器との光結合が効率よくなる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００４０】
（１）活性層を２つの活性層に分割し光の伝搬方向に並べることにより、波長帯の異なる２つの光増幅部をカスケード状につなぐことができ、しかも、この２つの光増幅部は一体化されているので、今までにない超広帯域半導体光増幅器を実現することができる。
【００４１】
（２）製造については従来技術を用いて行うことができるので、低コスト化を期待できる。
【００４２】
（３）上部電極を分離することにより、２つの光増幅部をそれぞれ独立に制御できるので、平坦な利得特性を得ることができる。
【００４３】
（４）２つの活性層が両者のテーパ部の重ね合せによる非常に効率のよい結合領域で結合され、しかも結合領域からの反射光は生じない構造であるので、安定な光増幅器を実現することができる。
【００４４】
（５）可飽和吸収部を構成することにより、広帯域特性の他に低雑音特性も得ることができるので、ブースター光増幅器、前置光増幅器、中継用光増幅器等に利用することができ、さらに、光受動部品の損失補償用光増幅器等に利用することができる。
【００４５】
（６）活性層の入出射端に窓領域を設けることにより、偏波依存性の極めて小さい光増幅器を実現することができる。また、活性層としてバルク構造以外に、量子井戸構造又は歪量子井戸構造を用いることができるので、低偏波依存性の光増幅器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す広帯域半導体光増幅器の光の伝搬方向に沿った垂直断面図である。
【図２】本発明の広帯域半導体光増幅器の利得波長特性図である。
【図３】本発明の他の実施形態を示す広帯域半導体光増幅器の水平断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態を示す広帯域半導体光増幅器の光の伝搬方向に沿った垂直断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態を示す広帯域半導体光増幅器の光の伝搬方向に沿った垂直断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態を示す広帯域半導体光増幅器の光の伝搬方向に沿った垂直断面図である。
【図７】従来の半導体光増幅器の光の伝搬方向に沿った垂直断面図である。
【図８】従来の半導体光増幅器の光の伝搬方向に直交する垂直断面図である。
【符号の説明】
１ＩｎＰ（ｎ⁺）基板
２ＩｎＰ（ｎ）クラッド層（下部クラッド層）
３活性層
３−１入射側活性層
３−２出射側活性層
４ＩｎＰ（ｐ）クラッド層（上部クラッド層）
５ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
６、６−１、６−２上部電極
７下部電極
８−１、８−２無反射コーティング層
１３ａ、１４ａ一定層厚部
１３ｂ、１４ｂテーパ部
１５結合領域
１６幅狭め領域
１７−１、１７−２窓領域
１８、１８−１、１８−２電極分離溝[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor optical amplifier in which light propagating in an active layer is amplified by injecting a current into the active layer, and more particularly, a broadband semiconductor optical amplifier having a flat gain characteristic over a wide band. It is about.
[0002]
[Prior art]
Research and development of high-speed, large-capacity, long-distance transmission systems using wavelength division multiplexing and optical devices used therefor are actively conducted. A broadband optical amplifier is an indispensable device for realizing the above system. As this optical amplifier, a semiconductor optical amplifier that can be expected to be reduced in size and cost is attracting attention, and many proposals regarding a configuration for widening the bandwidth have been made. One of them is shown in FIG. 7 (Japanese Patent Laid-Open No. 4-291983). In the semiconductor optical amplifier, the active layers 43a and 43b and the optical waveguides 42a, 42b, 44a, and 44b are provided with a portion where one or a plurality of refractive indexes change in the middle of the light traveling direction of one or both of these. A composite resonator in which each is optically coupled between the portions where the refractive index changes is formed. Further, electrodes 46a and 46b are provided in each of the above-described composite resonators, and the resonance peak of the composite resonator can be independently controlled by the current injected from each electrode.
[0003]
Further, as another configuration for broadening the band, as shown in FIG. 8, the active layer 64 has a laminated structure of two or more layers (66, 68), and the

layers

66, 68 constituting the active layer are the same. There has been proposed a structure in which the composition is made of materials having different energy gaps, and the film thicknesses of the respective layers are set to the same value or close to each other (Japanese Patent Laid-Open No. 3-76186). It has been proposed that the energy gap of each layer may be set to a different value by changing the composition ratio of the material of each layer.
[0004]
Further, JP-A-6-283824 discloses an optical confinement layer having an active region, a plurality of quantum well layers in which at least one layer is different in thickness from other layers and lattice mismatched, and between each quantum well layer. A structure composed of a barrier layer formed in contact with a quantum well layer has also been proposed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional method for broadening the bandwidth of a semiconductor optical amplifier has the following problems.
[0006]
(1) Although it is considered that a certain level of flat gain characteristics can be obtained in the wavelength range of 20 to 30 nm, the configuration of FIG. 7 cannot be expected to have a wider band. This is because the material of the active layer of the first resonator and the material of the active layer of the second resonator are the same. Also, it is difficult to make the materials of these two resonators different from each other in terms of manufacturing method.
[0007]
(2) In the configuration of FIG. 8, the active layer 64 has a laminated structure of two or more layers having different energy gaps, so that the bandwidth is widened. However, the total thickness of the laminated active layers is inevitably increased. Therefore, the light confinement effect in the thickness direction is weakened, and the light output is reduced due to an increase in threshold current.
[0008]
(3) The configuration of JP-A-6-283824 has the same problem as (2).
[0009]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a broadband semiconductor optical amplifier that solves the above-described problems and has a flat gain characteristic over a wide band.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is a method of laminating a lower cladding layer, an active layer and an upper cladding layer on a substrate, loading an upper electrode on the upper cladding layer, loading a lower electrode under the substrate, In a semiconductor optical amplifier in which light propagating in the active layer is amplified by injecting current into the active layer from the upper electrode, the active layer is divided into two active layers arranged in the light propagation direction. The active layer has a gain characteristic centered on a long bandgap wavelength, and the other active layer has a gain characteristic centered on a short bandgap wavelength. The two active layers are composed of materials having the same compositional components and different energy gaps. The active layer on the light incident side is formed with a tapered portion whose thickness decreases in the light propagation direction, and the light emitting side has a tapered portion. In the active layer Propagation direction and forms a tapered portion to reduce the thickness in the opposite direction, the gain characteristic and the other of the one of the active layer by the two active layers optically coupled by superimposing these tapered portion of A gain characteristic flat in a wide band is obtained by superimposing the gain characteristic of the active layer .
[0011]
The two active layers may have a constant layer thickness portion continuous with the tapered portion, and the two constant layer thickness portions may have the same or approximate layer thickness.
[0012]
The energy gaps may be made different from each other by making the composition ratios of the composition components of the two active layers different from each other.
[0013]
The upper electrode may be separated at the upper part of the middle part of the two active layers, and current may be injected independently from the separated upper electrodes.
[0014]
The upper electrode is separated at the upper part of the emission-side active layer, and a reverse voltage is applied to the upper electrode separated closer to the emission end, so that the emission end side of the emission-side active layer is saturable. It is good.
[0015]
A window region may be provided at the entrance / exit end of the active layer.
[0016]
The active layer may have a bulk structure, a quantum well structure, or a strained quantum well structure.
[0017]
A barrier layer may be provided between the two active layers.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0019]
As shown in FIG. 1, a broadband semiconductor optical amplifier according to the present invention includes an InP (n) clad layer 2 serving as a lower clad layer, an active layer 3 and an InP serving as an upper clad layer on an InP (n ⁺ ) substrate 1. (P) A cladding layer 4 and an InGaAsP contact layer 5 are stacked, an upper electrode 6 is loaded on the InGaAsP contact layer 5, and a lower electrode 7 is loaded under the InP (n ⁺ ) substrate 1. Reference numerals 8-1 and 8-2 denote non-reflective coating layers applied to the light incident end face and the light exit end face, and 9 denotes a terminal for injecting a forward current Ik equal to or lower than the threshold current. Reference numeral 10 denotes signal light incident on the incident end face, and reference numeral 11 denotes amplified signal light emitted from the outgoing end face.
[0020]
As a feature of the present invention, the active layer 3 is divided into two active layers 3-1 and 3-2 arranged in the light propagation direction. The active layer 3-1 located on the light incident side is called an incident side active layer, and the active layer 3-2 located on the emission side is called an emission side active layer. These two active layers 3-1 and 3-2 are made of materials having the same composition component and different energy gaps. That is, the incident side active layer 3-1 is composed of a material In _{1 -x} Ga _x As _{1 -y} P _y having In, Ga, As, and P as composition components and having a band gap wavelength of λh. is the exit-side active layer 3-2, in a composition component, Ga, as, has a P, a material such as a band-gap wavelength is _{_{λl in 1-t Ga t as}} 1-u P u Has been. The band gap wavelength λh is longer than the band gap wavelength λl.
[0021]
In addition, as a feature of the present invention, the two active layers 3-1 and 3-2 have constant layer thickness portions 13 a and 14 a whose upper and lower surfaces are parallel to the InP (n ⁺ ) substrate 1, and these constant layer thickness portions. It has taper parts 13b and 14b which continue to 13a and 14a and taper, respectively. The two active layers 3-1 and 3-2 are optically coupled by overlapping the tapered portions 13b and 14b so as to contact each other. The taper portion 13b has a lower surface parallel to the InP (n ⁺ ) substrate 1 and an upper surface inclined until the thickness disappears, and the taper portion 14b is inclined until the thickness disappears and the upper surface parallel to the substrate 1 The taper portions 13b and 14b have the surfaces parallel to the substrate 1 aligned with each other.
[0022]
In this way, two types of active layers 3-1 and 3-2 having different band gap wavelengths are configured in cascade, and the taper portions 13b and 14b are overlapped with each other, whereby both active layers 3-1 and 3-2 are overlapped. Are optically coupled. A portion where the tapered portions 13b and 14b are overlapped is referred to as a coupling region 15.
[0023]
With the configuration of FIG. 1, the broadband semiconductor optical amplifier can obtain gain characteristics as shown in FIG. That is, the gain characteristic by the incident side active layer 3-1 centering on the long band gap wavelength λh and the gain characteristic by the output side active layer 3-2 centering on the short band gap wavelength λl are shown. As a result, a flat gain characteristic can be obtained over a wide band.
[0024]
Two band gap wavelength λh the active layer 31 and 32, as a method of varying the Ramudaeru, materials _{_{_{In 1-x Ga x As 1}}} -y P y and materials _{_{_{In 1-t Ga t As 1}}} -u The values of x, y, t, u of P _u are varied. That is, the two active layers 3-1 and 3-2 are made of materials having common composition components but different energy gaps. _{_{That, In 1-x Ga x As}} 1-y P y (In 1-t Ga t As 1-u P u) band gap (energy gap) Eg the composition x of (t), y (u) In between

It is known that the band gap wavelength λg increases as the band gap Eg decreases. Therefore, from the above relationship, the band gap wavelengths λh and λl are set, the energy gap Eg is determined from this, and if this Eg is determined, the values of x, y, t, and u can be determined.
[0025]
Further, as a method of making the band gap wavelengths λh and λl different, the composition ratio of the materials may be made different. That, In the two active layers _{_{_{3-1,3-2 1-x Ga x As 1}}} -y P y, In 1-t Ga t As 1-u P a composition of four elements _u x = 1, t = InGaAs _{_1-y} P _y as 1, it may be three elemental composition of InGaAs _{_1-u} P u.
[0026]
In the coupling region 15 formed by superimposing the tapered portions 13b and 14b, the signal light 10 which is incident on the active layer 3-1 and propagates is efficiently optically coupled to the active layer 3-2 and propagated and amplified. The signal light 11 is emitted so as to be emitted. Conversely, the signal light may be incident from the non-reflective coating layer 8-2 side and the amplified signal light may be emitted from the non-reflective coating layer 8-1 side. Thus, the optical coupling can be efficiently performed.
[0027]
The InP (n) clad layer 2 has a lower surface in contact with the InP (n ⁺ ) substrate 1, and an upper surface having an active layer 3-1 (constant layer thickness portion 13 a), a tapered portion 14 b, and an active layer 3-2 (constant layer thickness portion). 14a), the layer thickness changes. The lower surface of the InP (p) cladding layer 4 is in contact with the active layer 3-1 (constant layer thickness portion 13 a), the tapered portion 13 b, and the active layer 3-2 (constant layer thickness portion 14 a), and the upper surface is in contact with the InGaAsP contact layer 5. However, both the upper surface and the lower surface change following the active layer 3, and the layer thickness is constant. Each of the InGaAsP contact layer 5 and the upper electrode 6 has a constant layer thickness. Note that the upper surface of the InP (p) cladding layer 4 may be formed in parallel to the InP (n ⁺ ) substrate 1.
[0028]
Next, another embodiment of the broadband semiconductor optical amplifier of the present invention will be described.
[0029]
FIG. 3 shows a horizontal section of the active layer 3 of the broadband semiconductor optical amplifier. In the embodiment of FIG. 3A, the width of the active layer 3 is constant from the light incident end to the light exit end. In the embodiment of FIG. 3B and FIG. 3C, the active layer 3 is formed in both tapered shapes so that the width of the active layer 3 is confined at the center in the coupling region 15. A portion where the width of the active layer 3 is narrowed will be referred to as a narrowed region 16. By providing the narrow region 16 in this way, light confinement in the coupling region 15 is weakened, and thereby the coupling effect from the incident side active layer 3-1 to the emission side active layer 3-2 can be enhanced. .
[0030]
In the embodiment shown in FIGS. 3B and 3C, so-called window regions 17-1 and 17-2 in which the active layer 3 is interrupted are provided at the incident end and the emission end of the active layer 3. It has been. The window regions 17-1 and 17-2 are continuously and integrally formed with the cladding layer 17 with the same material as the cladding layer 17 that sandwiches the active layer 3 in the horizontal direction. By providing the window regions 17-1 and 17-2, it is possible to realize a stable gain characteristic with a wide band regardless of the polarization direction of the incident light.
[0031]
Note that the broadband semiconductor optical amplifier of FIG. 3B is formed in a tapered shape so that the width of each of the active layers 3-1 and 3-2 becomes narrower toward the window regions 17-1 and 17-2. With such a taper structure, the light beam spot diameter of the signal propagating in the active layer can be increased, and the optical coupling efficiency with the optical fiber disposed on the input / output end face can be improved. On the other hand, in the broadband semiconductor optical amplifier of FIG. 3C, the widths of the active layers 3-1 and 3-2 are constant except for the narrow region 16.
[0032]
The layer thickness of the constant layer thickness portion 13a of the active layer 3-1 and the layer thickness of the constant layer thickness portion 14a of the active layer 3-2 are preferably set to values that are equal to or approximate to each other. This is because if the thicknesses of these layers are different from each other, the gain values of the wavelength characteristics of the active layers 3-1 and 3-2 shown in FIG. 2 may be different or the wavelength characteristics may be asymmetric. As a result, it is difficult to obtain the flatness of the total gain wavelength characteristic.
[0033]
In another embodiment of the broadband semiconductor optical amplifier shown in FIG. 4, the upper electrode 6 is formed by providing an electrode separation groove 18 above the intermediate part (coupling region 15) of the two active layers 3-1 and 3-2. Is separated into two. A current Ik ₁ is injected from the terminal 9-1 into the upper electrode 6-1 separated on the incident side active layer 3-1, and separated on the upper side of the emission side active layer 3-2 independently of this. The current Ik ₂ is injected from the terminal 9-2 into the upper electrode 6-2. Thus, the broadband semiconductor optical amplifier has the first amplifying unit 19 and the second amplifying unit 20. By adjusting the injection currents Ik ₁ and Ik ₂ independently, the total gain wavelength characteristic can be flattened over a wide band.
[0034]
In another embodiment of the broadband semiconductor optical amplifier shown in FIG. 5, the upper electrode 6 is separated into three by providing two electrode separation grooves 18-1 and 18-2. The electrode separation groove 18-1 is provided above the coupling region 15, and the upper electrode 6 on the incident end side of the electrode separation groove 18-1 is separated on the incident side active layer 3-1, similarly to FIG. The upper electrode 6-1. The electrode separation groove 18-2 is provided above the emission-side active layer, and the upper electrode 6 closer to the coupling region 15 than the electrode separation groove 18-2 is emitted from the upper electrode 6-2 and the electrode separation groove 18-2. The upper electrode 6 on the end side is an upper electrode 6-3. As a result, the broadband semiconductor optical amplifier has the first amplifying unit 19, the second amplifying unit 20, and the saturable absorber 21. A reverse voltage −Vk is applied to the upper electrode 6-3 of the saturable absorber 21 from the terminal 9-3. The saturable absorber 21 serves to reduce noise contained in the amplified signal light, particularly noise due to spontaneous emission light. This amount of noise reduction can be controlled by the value of the reverse voltage -Vk. That is, by increasing the value of Vk, the noise component can be absorbed more strongly and reduced. This configuration has controllability with respect to each of the gain value, the gain wavelength characteristic, and the noise characteristic as compared with the configurations of FIGS. 1 and 4 (the controllable range is wide and the control is easy).
[0035]
In FIG. 1, FIG. 3, FIG. 4 and FIG. 5, the active layer 3 may have any of a bulk structure, a quantum well structure, or a strained quantum well structure. If a strained quantum well structure is used for the active layer 3, the polarization dependence of the gain can be kept low.
[0036]
A barrier layer may be provided between the two active layers 3-1 and 3-2. It is known that providing a barrier layer can promote a wider band and lower polarization dependence. However, by inserting a barrier layer between the two active layers 3-1 and 3-2, a wider band and a lower polarization can be achieved. Wave dependence can be realized.
[0037]
The present invention is not limited to the above embodiments. For example, as shown in FIG. 6, InGaAsP optical waveguides 22-1 and 22-2 are provided on the lower surface of the incident side active layer 3-1 and the upper surface of the emission side active layer 3-2, and these waveguides 22- You may make it set the refractive index of 1 and 22-2 to a value lower than the refractive index of each active layer 3-1 and 3-2. With such a configuration, crystal growth of each of the active layers 3-1 and 3-2 is facilitated. Further, light can be efficiently propagated from the incident side active layer 3-1 to the emission side active layer 3-2.
[0038]
In the configurations of FIGS. 1, 3, 4, 5, and 6, an optical waveguide for spot size conversion may be provided at the entrance end and the exit end of the broadband semiconductor optical amplifier. The optical waveguide section for spot size conversion is obtained by gradually changing the core cross-sectional area of the optical waveguide so as to have a target spot size. For example, the optical waveguide section has the same thickness as the active layer 3 of the broadband semiconductor optical amplifier. The core is gradually changed so as to approach the spot size of the input / output optical fiber. In this way, the optical coupling between the optical waveguide and the optical fiber is efficient, and the optical coupling between the optical waveguide and the broadband semiconductor optical amplifier is efficient, so the optical coupling between the optical fiber and the broadband semiconductor optical amplifier is efficient. Get better.
[0039]
【The invention's effect】
The present invention exhibits the following excellent effects.
[0040]
(1) By dividing the active layer into two active layers and arranging them in the light propagation direction, it is possible to connect two optical amplification units having different wavelength bands in cascade, and the two optical amplification units are integrated. Therefore, an unprecedented ultra-wideband semiconductor optical amplifier can be realized.
[0041]
(2) Since the production can be performed using the conventional technique, cost reduction can be expected.
[0042]
(3) By separating the upper electrode, the two optical amplifying units can be independently controlled, so that a flat gain characteristic can be obtained.
[0043]
(4) To realize a stable optical amplifier because the two active layers are coupled in a very efficient coupling region by overlapping the taper portions of the two active layers and no reflected light is generated from the coupling region. Can do.
[0044]
(5) By configuring the saturable absorber, it is possible to obtain low noise characteristics in addition to broadband characteristics, so that it can be used for booster optical amplifiers, pre-amplifiers, relay optical amplifiers, etc. It can be used for an optical amplifier for loss compensation of optical passive components.
[0045]
(6) By providing a window region at the input / output end of the active layer, an optical amplifier with extremely small polarization dependence can be realized. In addition to the bulk structure, a quantum well structure or a strained quantum well structure can be used as the active layer, so that an optical amplifier having a low polarization dependency can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a vertical cross-sectional view along a light propagation direction of a broadband semiconductor optical amplifier showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a gain wavelength characteristic diagram of the broadband semiconductor optical amplifier of the present invention.
FIG. 3 is a horizontal sectional view of a broadband semiconductor optical amplifier showing another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a vertical sectional view along a light propagation direction of a broadband semiconductor optical amplifier showing another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a vertical cross-sectional view along a light propagation direction of a broadband semiconductor optical amplifier showing another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a vertical sectional view along a light propagation direction of a broadband semiconductor optical amplifier showing another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a vertical sectional view along a light propagation direction of a conventional semiconductor optical amplifier.
FIG. 8 is a vertical cross-sectional view orthogonal to the light propagation direction of a conventional semiconductor optical amplifier.
[Explanation of symbols]
1 InP (n ⁺ ) substrate 2 InP (n) cladding layer (lower cladding layer)
3 Active Layer 3-1 Incident Side Active Layer 3-2 Output Side Active Layer 4 InP (p) Cladding Layer (Upper Cladding Layer)
5 InGaAsP contact layers 6, 6-1 and 6-2 Upper electrode 7 Lower electrodes 8-1 and 8-2 Non-reflective coating layers 13a and 14a Constant thickness portions 13b and 14b Tapered portion 15 Coupling region 16 Narrow region 17- 1, 17-2 Window region 18, 18-1, 18-2 Electrode separation groove

Claims

A lower clad layer, an active layer and an upper clad layer are stacked on a substrate, an upper electrode is loaded on the upper clad layer, a lower electrode is loaded under the substrate, and current is injected from the upper electrode into the active layer. Thus, in the semiconductor optical amplifier in which light propagating in the active layer is amplified, the active layer is divided into two active layers arranged in the light propagation direction, and one of the active layers has a long wavelength. These two active layers have a common composition component and energy so that they have a gain characteristic centered on the band gap wavelength and the other active layer has a gain characteristic centered on the short band gap wavelength.・ Consists of materials with different gaps, and the active layer on the light incident side is formed with a tapered portion whose thickness decreases in the light propagation direction, and the active layer on the light output side is opposite to the light propagation direction. Layer thickness does not decrease in the direction A tapered portion, flat broadband overlapping the gain characteristics of the gain characteristic and the other active layer of one of the active layer above by optically coupled to said two active layers by superimposing these tapered portion Broadband semiconductor optical amplifier characterized by obtaining excellent gain characteristics .

2. The broadband semiconductor optical amplifier according to claim 1, wherein the two active layers have a constant layer thickness portion continuous to the tapered portion, and the two constant layer thickness portions have the same or approximate layer thickness. .

3. The broadband semiconductor optical amplifier according to claim 1, wherein energy gaps are made different from each other by making composition ratios of composition components of the two active layers different from each other.

The broadband according to any one of claims 1 to 3, wherein the upper electrode is separated at an upper part of an intermediate portion between the two active layers, and a current is injected independently from each of the separated upper electrodes. Semiconductor optical amplifier.

The upper electrode is separated at the upper part of the emission-side active layer, and a reverse voltage is applied to the upper electrode separated closer to the emission end, so that the emission end side of the emission-side active layer is saturable. The broadband semiconductor optical amplifier according to any one of claims 1 to 4, wherein

6. The broadband semiconductor optical amplifier according to claim 1, wherein a window region is provided at an input / output end of the active layer.

7. The broadband semiconductor optical amplifier according to claim 1, wherein the active layer has a bulk structure, a quantum well structure, or a strained quantum well structure.

8. The broadband semiconductor optical amplifier according to claim 1, wherein a barrier layer is provided between the two active layers.