JP4067518B2 - 光増幅素子 - Google Patents

Description

本発明は光増幅素子に関し、特に、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）を利用した光伝送システムに適用して好適なものである。

従来、複数の異なる波長の光信号を伝送する光伝送システムとして、複数の異なる波長の光信号を１本の光ファイバに結合して伝送する波長多重を利用した光伝送システム（ＷＤＭシステム）がある。さらに、ＷＤＭシステムでは、１対１の伝送のみならず、ネットワーク化が急速に進展している。
このＷＤＭシステムでは、波長に応じて光信号を合流・分岐するＷＤＭ合分波回路、全ての波長の光を一括して合流・分岐する合分岐回路、特定の波長を抜き出し、あるいは挿入するアドドロップマルチプレクサ（Ａｄｄ−ｄｒｏｐ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ、ＡＤＭ）等の光素子が使用され、光信号がこれらの光素子を通過する際に生じる強度損失のため、信号強度が劣化する。
このため、ＷＤＭシステムでは、光ファイバを伝送する光信号を光のまま増幅する光増幅素子が必要不可欠となっている。

図７（ａ）は、従来の光増幅素子を光導波方向に沿って切断した断面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ´線で切断した断面図を示し、従来の光増幅素子（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＳＯＡ）の例として、ｎ−ＩｎＰ基板１０１を用いた場合の構造を示す（非特許文献１）。
図７において、ｎ−ＩｎＰ基板１０１上には、利得媒質であるＩｎＧａＡｓＰ活性層１０２がストライプ状に形成され、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１０２は、ｐ−ＩｎＰ層１０３およびｎ−ＩｎＰ層１０４により埋め込まれている。
そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１０２およびｎ−ＩｎＰ層１０４上には、ｐ−ＩｎＰ層１０５が形成され、ｐ−ＩｎＰ層１０５上にはｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１０６が形成されている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１０６上にはｐ側電極１０７が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板１０１の裏面にはｎ側電極１０８が形成されている。

図８は、図７の光増幅素子の飽和特性を示す図である。
図８において、入力光強度が小さい場合、入力光強度が増加しても利得はほぼ一定であるが、入力光強度がある値を超えると、利得は急激に減少する。ここで、ＷＤＭシステムでは、光信号として波長多重信号が入射され、その波長多重数は、アドドロップマルチプレクサ等を通過する毎に変動する。
今、波長多重数ｍの光信号が光増幅素子に入射したとものする。この場合、光増幅素子の入射光強度がｍ波合計でＰ₁（ｄＢｍ）になると、光増幅素子の利得はＧ₁（ｄＢｍ）になる。
ここで、アドドロップマルチプレクサにより光信号が追加されて、波長多重数がｎに増加したとする。この場合、光増幅素子の入射光強度がｎ波合計でＰ₂（ｄＢｍ）になると、光増幅素子の利得はＧ₂（ｄＢ）になる。

このように、図７の光増幅素子をＷＤＭシステムに用いた場合、波長多重数により入射光強度が異なるようになるため、光信号の利得が変動する。このため、従来の光増幅器では、特許文献１に開示されているように、波長多重数により光信号の利得が変動することを防止するため、発振作用を利用することで利得をある一定値にクランプする方法を用いたものがあった。

図９（ａ）は、従来の光増幅素子を光導波方向に沿って切断した断面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＣ−Ｃ´線で切断した断面図である。
図９において、ｎ−ＩｎＰ基板２０１上には、利得媒質であるＩｎＧａＡｓＰ活性層２０２がストライプ状に形成され、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２０２は、ｐ−ＩｎＰ層２０３およびｎ−ＩｎＰ層２０４により埋め込まれている。

ここで、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２０２の下面には、ＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込め（ＳＣＨ）層２０９が形成されるとともに、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２０２の上面には、ＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込め（ＳＣＨ）層２１０が形成され、ＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込め層２１０にはグレーティングが形成されている。そして、ＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込め層２１０およびｎ−ＩｎＰ層２０４上には、ｐ−ＩｎＰ層２０５が形成され、ｐ−ＩｎＰ層２０５上にはｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２０６が形成されている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２０６上にはｐ側電極２０７が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板２０１の裏面にはｎ側電極２０８が形成されている。

図９の光増幅素子では、ＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込め層２１０に形成されているグレーティングにより光信号が反射されるため正帰還がかかり、ＤＦＢレーザのように発振させることができる。ただし、グレーティングの結合係数は通常のＤＦＢレーザよりも小さくなっており、発振しきい値は高くなっている。
図９の光増幅素子のレーザ発振状態では、利得媒質でのキャリア密度は一定値にクランプされるが、発振しきい値が高いため、キャリア密度は通常のＤＦＢレーザよりも高い値にクランプされる。

このため、図６のグレーティングを有するＤＦＢ型光増幅素子では、発振が生じている限り、その利得媒質（ＩｎＧａＡｓＰ活性層２０２）のキャリア密度は一定となり、利得は利得媒質のキャリア密度に比例するため、利得を一定値にクランプさせることができる。
従って、上述した発振状態では、光増幅素子に注入する電流値を増加させても、発振光の光強度が増大するだけで、光増幅素子の利得を一定に保つことができる。そして、入力信号光強度が大きくなった場合、発振光強度が減少して、光増幅素子内部でのトータルの光強度が一定に保たれるため、光増幅素子のキャリア密度に変動が生じることがなく、光増幅素子の利得を一定に保つことができる。

図１０は、図９の光増幅素子の飽和特性を示す図である。
図１０において、図９の光増幅素子では、外部から入射された信号光の入力光強度が変動しても、利得は一定値Ｇｏに保たれる。すなわち、信号光の波長多重数がｍからｎに変化し、合計入力パワーがＰ₁からＰ₂に変化した場合においても、利得はＧｏで一定値となる。

また、図９の光増幅素子では、外部からの入射光強度がさらに増大し、発振が抑圧された場合に限り、利得が低下する。逆に、図９の光増幅素子で発振が生じている限り、入射光強度あるいは入射信号の波長多重数によらず、利得を一定に保つことができる。
Ｋ．Ｍｏｒｉｔｏ他、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎｏ．１，ｐ１７６−１８１，２００３のｆｉｇ．５ 特開平７−１０６７１４号公報

しかしながら、図９のＤＦＢ型光増幅素子を用いた場合、発振光が信号光と同一光路に混入するため、この混入した発振光を除去するための波長フィルタが必要になるという問題があった。
さらに、図９のＤＦＢ型光増幅素子では、発振光強度が非常に強いため、入射信号強度が小さいと、通常の波長フィルタを用いた場合においても、信号光と同程度の強度で発振光が残留するという問題があった。
そこで、本発明の目的は、信号光の導波方向に発振光を混入させることなく、入力光強度による利得変動を抑えることが可能な光増幅素子を提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載の光増幅素子によれば、単一モードの光を導波させる入力導波路と、前記入力導波路に光学的に結合され、複数モードの光を導波させるとともに、少なくとも一部に利得媒質を含むように構成された多モード導波路と、前記多モード導波路に光学的に結合され、単一モードの光を導波させる出力導波路と、前記利得媒質から放射される自然放出光を反射させることにより、前記入力導波路を介して前記多モード導波路に入射された光の伝搬方向と交差する方向に発振を起こさせる反射領域とを前記多モード導波路に入射された光の利得領域と発振した光の利得領域が一致するように備え、前記反射領域には高反射膜が形成され、前記入力導波路および前記入力導波路の端面には反射防止膜が形成され、前記多モード導波路の長さをＬ、幅をＷ、前記高反射膜の反射率をＲ_Ｈ、反射防止膜の反射率をＲ_ＡＲとすると、Ｌ×ｌｏｇ（Ｒ_Ｈ）＞Ｗ×ｌｏｇ（Ｒ_ＡＲ）という関係を満たすことを特徴とする。

これにより、信号光の導波方向と異なる方向に導波する発振光を多モード導波路で生成させることを可能としつつ、多モード導波路での発振作用により信号光の利得をクランプさせることができる。このため、出力導波路から出射される増幅光に発振光が混入することを防止しつつ、発振により利得がクランプされた利得媒質内で、入力信号光を増幅させることが可能となる。この結果、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となる。

また、請求項２記載の光増幅素子によれば、前記入力導波路、前記多モード導波路および前記出力導波路は導波路中心軸が互いに一致するように同一基板上に並べて配置され、前記反射領域は前記多モード導波路の両脇に対向配置されていることを特徴とする。
これにより、入力導波路、多モード導波路および出力導波路を低損失で結合することが可能となるとともに、信号光の伝搬方向と直交する方向に発振を起こさせることが可能となる。このため、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となるとともに、出力導波路から出射される増幅光に発振光が混入することを防止することができる。

また、請求項３記載の光増幅素子によれば、前記入力導波路、前記多モード導波路および前記出力導波路は互いに共通の利得媒質から構成されるコアを備え、前記多モード導波路の前記コアの幅が前記入力導波路および前記出力導波路の前記コアの幅より広いことを特徴とする
これにより、入力導波路、多モード導波路および出力導波路を同一工程内で一括形成することが可能となり、製造工程の増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となるとともに、出力導波路から出射される増幅光に発振光が混入することを防止することができる。

また、請求項４記載の光増幅素子によれば、前記多モード導波路の長さをＬ、幅をＷ、屈折率をｎ_eq、信号光波長をλとすると、Ｌ＝ｍ・ｎ_eq・Ｗ²／λ（ただし、ｍは正の整数）であることを特徴とする。
これにより、自己結合効果を発現させることを可能としつつ、多モード導波路の長さを長くすることを可能として、クランプ利得を稼ぐことが可能となる。このため、注入電流密度を一定に保ちつつ、多モード導波路のサイズを小さくすることが可能となり、出力導波路の基本モードに信号光を低損失で結合させることを可能としつつ、駆動電流を低減させることができる。

また、請求項５記載の光増幅素子によれば、前記多モード導波路のコアの一部を構成し、前記多モード導波路よりも幅が広くなるように前記反射領域の方向に延伸され、信号光波長に対して透明な透明層をさらに備えることを特徴とする。
これにより、発振光に対するコアを反射領域まで延伸することができ、キャビティ内における発振光の損失を減少させることが可能となる。このため、多モード導波路内で発振光を効率よくフィードバックさせることが可能となり、反射領域の反射率に対する要求を緩和することができる。

また、請求項６記載の光増幅素子によれば、前記反射領域は、前記多モード導波路の側壁に形成された誘電体多層膜または金属膜を備えることを特徴とする。
これにより、入力導波路、多モード導波路および出力導波路が形成された基板上に反射領域を一体的に形成することが可能となり、素子サイズの増大を抑制しつつ、信号光の導波方向と異なる方向に発振光を導波させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、多モード導波路に入射された光の伝搬方向と交差する方向に発振を起こさせる反射領域を設けることにより、出力導波路から出射される増幅光に発振光が混入することを防止しつつ、発振により利得がクランプされた利得媒質内で、入力信号光を増幅させることが可能となる。このため、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となる。

以下、本発明の実施形態に係る光増幅素子について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す平面図である。
図１において、ｎ−ＩｎＰ基板４０１上には、入力信号光４１１を入力する入力導波路４０２、入力信号光４１１を導波させる多モード導波路４０３、出力信号光４１２を出力する出力導波路４０４が形成されている。

ここで、入力導波路４０２および出力導波路４０４は、ＩｎＧａＡｓＰをコアとした利得媒質からなるシングルモード導波路から構成することができ、多モード導波路４０３は、ＩｎＧａＡｓＰをコアとした利得媒質からなる多モード導波路から構成することができる。また、入力導波路４０２、多モード導波路４０３および出力導波路４０４は導波路中心軸が互いに一致するようにｎ−ＩｎＰ基板４０１上に並べて配置することができる。また、多モード導波路４０３の長さＬは、多モード導波路４０３の幅をＷ、多モード導波路４０３の縦方向（基板垂直方向）の等価屈折率をｎ_eq、入力信号光４１１の波長をλとすると、
Ｌ＝ｎ_eq・Ｗ²／λ ・・・（１）
の関係を満たすように設定することができる。なお、以下の説明では、（１）式の関係を満たす多モード導波路４０３の長さＬをＬ_MMIとする。ここで、多モード導波路４０３の長さＬ_MMIは、多モード導波路４０３において、光が最初にスポット状に集光されるまでの長さを示している。

また、入力導波路４０２側のｎ−ＩｎＰ基板４０１の端面４０５には反射防止膜４０７が形成されるとともに、出力導波路４０４側のｎ−ＩｎＰ基板４０１の端面４０６には反射防止膜４０８が形成されている。さらに、多モード導波路４０３の両脇には、高反射膜４０９、４１０が対向配置されている。ここで、高反射膜４０９、４１０は、多モード導波路４０３の側壁に形成された誘電体多層膜または金属膜を用いることができる。

そして、入力導波路４０２に入射した入力信号光４１１は、入力導波路４０２を伝搬して多モード導波路４０３に入射される。そして、入力信号光４１１が多モード導波路４０３に入射すると、入力信号光４１１は多モード導波路４０３における固有モードに展開される。すなわち、入力導波路４０２の基本伝搬モードと多モード導波路４０３の複数の伝搬モードとの重なり積分に比例したパワー分布で多モード導波路４０３内の複数の伝搬モードが励振される。そして、多モード導波路４０３内で励振された各モードは、それぞれの伝搬定数により決定される位相条件で多モード導波路４０３内を伝搬する。

そして、光がある距離だけ伝搬すると、各モードの光の位相が多モード導波路４０３内で互いに強め合う状態となり、１つまたは複数のスポットに集光されることがある。この現象は、自己結像効果（ｓｅｌｆ−ｉｍａｇｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）として知られている。
ここで、（１）式の関係を満たすように、多モード導波路４０３の長さＬ_MMIを設定することにより、多モード導波路４０３内を伝搬する信号光を１つのスポットに集光させることができる。そして、多モード導波路４０３内を長さＬ_MMIだけ伝搬した信号光は出力導波路４０４に入射し、出力導波路４０４を伝搬した後、出力信号光４１２として端面４０６から出射される。

これにより、多モード導波路４０３内で自己結像効果を起こさせることが可能となり、多モード導波路４０３内を伝搬した信号光を出力導波路４０４の基本モードに結合させることができる。このため、複数の伝搬モードを多モード導波路４０３内で励振させた場合においても、多モード導波路４０３と出力導波路４０４との間の結合損失を低減させることができる。

例えば、多モード導波路４０３の幅Ｗ＝２０μｍ、多モード導波路４０３の等価屈折率ｎ_eq＝３．２４、入力信号光４１１の波長λ＝１．５５μｍとすると、多モード導波路４０３の長さＬ_MMI＝８３６μｍに設定することができる。
また、入力導波路４０２、多モード導波路４０３および出力導波路４０４のコアは利得媒質を含むため、入力信号光４１１は、入力導波路４０２、多モード導波路４０３および出力導波路４０４を伝搬するに従って増幅され、増幅された出力信号光４１２を得ることができる。

一方、多モード導波路４０３にて生成された自然放出光は四方八方に放出され、多モード導波路４０３の両脇の高反射膜４０９、４１０にて反射させることにより、入力信号光４１１の導波方向と直交する方向にレーザ発振を起こさせることができる。そして、入力信号光４１１の導波方向と直交する方向にレーザ発振が起こると、多モード導波路４０３に入射された信号光の強度が変動した場合においても、多モード導波路４０３のキャリア密度を一定に保つことができ、光増幅素子の利得を一定値にクランプさせることができる。

このため、出力導波路４０４から出射される増幅光に発振光が混入することを防止しつつ、発振により利得がクランプされた利得媒質内で、入力信号光４１１を増幅させることが可能となる。この結果、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となる。

図２は、図１のＡ−Ａ´線で切断した光増幅素子の構成例を示す断面図である。
図２において、図１の多モード導波路４０３では、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２がストライプ状にｎ−ＩｎＰ基板５０１上に形成されている。なお、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２の幅は、複数モードの光が伝播されるように設定することができ、多モード導波路４０３のＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２の幅は、例えば、２０μｍに設定することができる。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２の両側は、ｎ−ＩｎＰ基板５０１上に順次積層されたｐ−ＩｎＰ電流ブロック層５０３およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５０４にて埋め込まれている。ここで、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層５０３およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５０４にてＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２の両側を埋め込むことにより、埋め込みヘテロ構造を構成することができる。

そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５０４上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層５０５が形成されている。ここで、ｎ−ＩｎＰ基板５０１とｐ−ＩｎＰクラッド層５０５との間にＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２を形成することにより、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２をコアとした利得媒質からなる多モード導波路４０３を構成することができる。

そして、ｐ−ＩｎＰクラッド層５０５上にはｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層５０６が形成されている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層５０６上にはｐ側電極５０７が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板５０１の裏面にはｎ側電極５０８が形成されている。また、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層５０３およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５０４にて埋め込まれたＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２はメサ状にエッチングされ、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層５０３、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５０４、ｐ−ＩｎＰクラッド層５０５およびｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層５０６の側壁が露出されている。そして、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層５０３、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５０４、ｐ−ＩｎＰクラッド層５０５およびｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層５０６の側壁には、入力信号光４１１の伝搬方向に沿うようにして高反射膜５０９、５１０が形成されている。なお、高反射膜５０９、５１０としては、例えば、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂などの誘電体多層膜またはＡｕなどの金属膜を用いることができる。

一方、入力導波路４０２および出力導波路４０４のＢ−Ｂ´線で切断した構成は、入力導波路４０２および出力導波路４０４のＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２の幅が多モード導波路４０３のＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２の幅と異なることを除けば、多モード導波路４０３と同様の構成をとることができる。すなわち、入力導波路４０２および出力導波路４０４のＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２の幅は、単一モードの光が伝搬されるように設定され、入力導波路４０２および出力導波路４０４のＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２の幅は、例えば、０．８μｍに設定することができる。

なお、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層５０３、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５０４、ｐ−ＩｎＰクラッド層５０５およびｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層５０６をｎ−ＩｎＰ基板５０１上に形成する場合、例えば、ＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）、ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、あるいはＡＬＣＶＤ（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などのエピタキシャル成長を用いることができる。

そして、ｐ側電極５０７に電圧を印加することにより、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５０４にて電流を狭窄させながら、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２に電流を注入することができる。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２に電流が注入されると、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２にて発光させることができる。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２にて生成された光は、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２の両側の高反射膜５０９、５１０にて反射され、図１の入力信号光４１１の導波方向と直交する方向にレーザ発振を起こさせることができる。

例えば、高反射膜５０９、５１０の反射率Ｒ_Hが０．９、すなわち９０％であったとする。この場合、デシベル表示に直すと、１０×ｌｏｇ（Ｒ_H）となり、反射損失の０．４６ｄＢに相当する。そして、多モード導波路４０３では自然放出光が四方八方に放出され、多モード導波路４０３の幅方向に進行または導波する光が高反射膜５０９、５１０にて反射される。

ここで、反射損失は０．４６ｄＢなので、この反射光が多モード導波路４０３の幅方向に距離Ｗだけ伝搬する間に０．４６ｄＢの利得があれば、反射損失と利得とが釣り合う。この結果、高反射膜５０９、５１０とＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２とからなるレーザキャビティが多モード導波路４０３の幅方向に形成され、多モード導波路４０３の幅方向にレーザ発振を起こさせることができる。

例えば、多モード導波路４０３の幅Ｗ＝２０μｍとすると、多モード導波路４０３の利得が０．４６ｄＢ／２０μｍだけあればレーザ発振を起こさせることができる。そして、多モード導波路４０３内にレーザ発振が起こると、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２に入射された信号光強度が変動した場合においても、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２のキャリア密度を一定に保つことができ、光増幅素子の利得を一定値にクランプさせることができる。

一方、多モード導波路４０３を軸方向に伝搬する信号光の利得について考えると、多モード導波路４０３の長さＬ_MMI＝８３６μｍであり、多モード導波路４０３の利得は０．４６ｄＢ／２０μｍにクランプされている。このため、多モード導波路４０３を伝搬した時の信号光の利得は、
８３６μｍ×（０．４６ｄＢ／２０μｍ）＝１９ｄＢ ・・・（２）
でクランプされる。

そして、多モード導波路４０３の利得がクランプされると、これ以上多モード導波路４０３に電流を注入しても、この電流は発振光のパワーを増大させるために消費され、信号光の利得に寄与することはない。一方、入射側端面４０５および出射側端面４０６には反射防止膜４０７、４０８がそれぞれ設けられているため、残留反射率Ｒ_ARは０．１％以下（−３０ｄＢ以下）に抑えられている。このため、多モード導波路４０３の利得が１９ｄＢだけあったとしても、入力信号光４１１の伝搬方向では発振に至ることはなく、進行波型の光増幅動作が行われる。

図３は、図１の光増幅素子の飽和特性を示す図である。
図３において、多モード導波路４０３に電流を注入すると、最初は電流の増加とともに利得は増加する。そして、電流がＩ₁に達すると、多モード導波路４０３の幅方向に距離Ｗだけ伝搬した時の利得がしきい値利得Ｇ_lateralに達し、多モード導波路４０３の幅方向で発振が生じる。この時、しきい値利得Ｇ_lateralは、
Ｇ_lateral＝−１０×ｌｏｇ（Ｒ_H）（ｄＢ） ・・・（３）
で与えられる。

さらに電流を増加させ、電流がＩ₂（＞Ｉ₁）に達した場合においても、多モード導波路４０３内では既に発振が生じているためキャリア密度は一定値にクランプされ、利得は増加しない。すなわち、通常の光増幅素子では、電流がＩ₁を超えても、電流の増加に伴って利得が単調増加するのに対して、本実施形態では、多モード導波路４０３の利得をＧ₀にクランプさせることができる。この時、信号光の利得Ｇ₀は、
Ｇ₀＝Ｇ_latera×Ｌ_MMI／Ｗ ・・・（４）
で与えられる。ここで、信号光の利得Ｇ₀は、（１）、（３）式を用いることにより、
Ｇ₀＝−１０×ｌｏｇ（Ｒ_H）×ｎ_eq×Ｗ／λ ・・・（５）
となる。

そして、電流がＩ₁以上の動作状態、すなわち、多モード導波路４０３の幅方向で発振が生じているために利得がＧ₀にクランプされている状態では、図１の入力信号光４１１の強度が大きくなった場合でも、発振光の強度が減少するだけで光増幅素子内部の発振光と信号光のトータルの光強度は一定に保たれる。このため、光増幅素子内の利得媒質のキャリア密度に変動が生じることはなく、図１０に示すように、光増幅素子の利得は一定に保たれる。この結果、入力信号光４１１の波長多重数が変化した場合においても、利得変動を抑制することができ、波長多重光伝送システムを安定に動作させることができる。

また、上述した実施形態では、多モード導波路４０３の幅方向に形成された高反射膜５０９、５１０とＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２とからなるレーザキャビティでレーザ発振が起こるため、発振光の伝搬方向と信号光の伝搬方向とを直交させることができる。このため、発振光が入力導波路４０２および出力導波路４０４に混入することを防止することができ、発振光と信号光とを空間的に分離することができる。このため、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となる。

また、多モード導波路４０３は、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２をコアとして、信号光に対しては幅Ｗ、長さＬの多モード導波路として、発振光対しては幅Ｌ、長さＷの多モード導波路として、それぞれ作用するため、発振光および信号光の双方を水平方向（基板面内方向）に伝搬させることができる。このため、通常の半導体レーザおよび半導体光増幅器の製造プロセスをそのまま流用することができ、光増幅素子の製造工程の煩雑化を抑制することが可能となるとともに、高信頼性を確保することができる。

さらに、発振光の伝搬方向となるＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２の幅方向には、多モード導波路４０３を構成するための十分なスペースを確保することができる。このため、シングルモード導波路の幅方向または厚み方向に発振光が伝搬する場合に比べて多くの距離を伝搬させることができ、大きな利得を得ることができる。このため、高反射膜４０９、４１０の反射率がある程度低くても発振を起こさせることができ、高反射膜４０９、４１０の反射率に対する要求を緩和させて、高反射膜４０９、４１０の作製を容易化することができる。

なお、利得媒質を含む導波路の構成に関しては、特に制約を設けるものではなく、通常の光増幅素子で用いられている全ての層構造に適用するようにしてもよい。すなわち、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２の形状はバルクの他、ＭＱＷ（多重量子井戸）、量子細線、量子ドットなどでもよく、また、上下の閉じ込めを所望の値にするために分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）や、屈折率を徐々に変化させた傾斜屈折率閉じ込め構造（ＧＲＩＮ−ＳＣＨ）としてもよい。例えば、バンドギャップ波長が利得媒質とＩｎＰクラッドとの間にあるようなＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込め層または光ガイド層を利得媒質の上部または下部に設けるようにしてもよい。さらに、材料に関しても、ＩｎＰおよびＩｎＧａＡｓＰの組み合わせに限定されることなく、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＡｓＰなど他の半導体材料を用いるようにしてもよい。

また、導波路構造に関しても、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造を用いるようにしてもよい。さらに、基板に関しても、ｎ型基板に限定されることなく、ｐ型基板または半絶縁性基板を用いるようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、信号光の伝搬経路に沿って、入力導波路４０２から多モード導波路４０３を経て出力導波路４０４に至るまでの全てについて利得媒質をコアに含む場合について説明したが、少なくとも多モード導波路４０３のコアまたはクラッドの一部に利得媒質を設けるようにしてもよい。

図４は、本発明の第２実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す断面図である。なお、図４の断面図は、図１のＡ−Ａ´線で切断した光増幅素子の構成部分に対応し、図４の実施形態の水平方向の導波路の構成は図１と同様の構成をとることができる。
図４において、ｎ−ＩｎＰ基板７０１上には、ＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込め層７１１が形成されている。なお、ＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込め層７１１は、信号光の波長に対して透明になるように構成することができる。そして、ＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込め層７１１上には、ＩｎＧａＡｓＰ活性層７０２がストライプ状に形成されている。なお、ＩｎＧａＡｓＰ活性層７０２の幅は、多モード導波路では、複数モードの光が伝播されるように設定することができる。

そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層７０２の両側は、ＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込め層７１１上に順次積層されたｐ−ＩｎＰ電流ブロック層７０３およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層７０４にて埋め込まれている。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層７０２およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層７０４上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層７０５が形成されている。

そして、ｐ−ＩｎＰクラッド層７０５上にはｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７０６が形成されている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７０６上にはｐ側電極７０７が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板７０１の裏面にはｎ側電極７０８が形成されている。また、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層７０３およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層７０４にて埋め込まれたＩｎＧａＡｓＰ活性層７０２はメサ状にエッチングされ、ＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込め層７１１、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層７０３、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層７０４、ｐ−ＩｎＰクラッド層７０５およびｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７０６の側壁が露出されている。そして、ＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込め層７１１、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層７０３、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層７０４、ｐ−ＩｎＰクラッド層７０５およびｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７０６の側壁には、信号光の伝搬方向に沿うようにして高反射膜７０９、７１０が形成されている。

なお、入力導波路および出力導波路の構成は、入力導波路および出力導波路のＩｎＧａＡｓＰ活性層７０２の幅が多モード導波路のＩｎＧａＡｓＰ活性層７０２の幅と異なることを除けば、多モード導波路７０３と同様の構成をとることができる。すなわち、入力導波路および出力導波路のＩｎＧａＡｓＰ活性層７０２の幅は、単一モードの光が伝搬されるように設定することができる。

そして、ｐ側電極７０７に電圧を印加することにより、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層７０４にて電流を狭窄させながら、ＩｎＧａＡｓＰ活性層７０２に電流を注入することができる。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層７０２に電流が注入されると、ＩｎＧａＡｓＰ活性層７０２にて発光させることができる。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層７０２にて生成された光は、ＩｎＧａＡｓＰ活性層７０２の両側の高反射膜７０９、７１０にて反射され、信号光の導波方向と直交する方向にレーザ発振を起こさせることができる。

ここで、高反射膜７０９、７１０の方向に延伸されたＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込め層７１１をＩｎＧａＡｓＰ活性層７０２の下層に設けることにより、発振光に対するコアを高反射膜７０９、７１０まで延伸することができる。このため、ＩｎＧａＡｓＰ活性層７０２にて生成された光をＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込め層７１１にてガイドしながら、高反射膜７０９、７１０に導くことができ、キャビティ内における発振光の損失を減少させることが可能となる。このため、多モード導波路内で発振光を効率よくフィードバックさせることが可能となり、高反射膜７０９、７１０の反射率に対する要求を緩和することができる。

図５は、本発明の第３実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す平面図である。
図５において、ｎ−ＩｎＰ基板８０１上には、入力信号光８１１を入力する入力導波路８０２、入力信号光８１１を導波させる多モード導波路８０３、出力信号光８１２を出力する出力導波路８０４が形成されている。
ここで、入力導波路８０２および出力導波路８０４は、入力信号光８１１の波長に対して透明なＩｎＧａＡｓＰをコアとしたバットジョイント構成とすることができ、多モード導波路８０３は、ＩｎＧａＡｓＰをコアとした利得媒質からなる多モード導波路から構成することができる。また、入力導波路８０２、多モード導波路８０３および出力導波路８０４は導波路中心軸が互いに一致するようにｎ−ＩｎＰ基板８０１上に並べて配置することができる。また、多モード導波路８０３の長さＬ_MMIは、（１）式の関係を満たすように設定することができる。また、多モード導波路８０３の幅Ｗは、複数モードの光が伝播されるように設定することができ、入力導波路８０２および出力導波路８０４の幅は、単一モードの光が伝播されるように設定することができる。

また、入力導波路８０２側のｎ−ＩｎＰ基板８０１の端面８０５には反射防止膜８０７が形成されるとともに、出力導波路８０４側のｎ−ＩｎＰ基板８０１の端面８０６には反射防止膜８０８が形成されている。さらに、多モード導波路８０３の両脇には、高反射膜８０９、８１０が対向配置されている。
そして、入力導波路８０２に入射した入力信号光８１１は、入力導波路８０２を伝搬して多モード導波路８０３に入射される。そして、入力信号光８１１が多モード導波路８０３に入射すると、多モード導波路８０３内の複数の伝搬モードが励振され、それぞれの伝搬定数により決定される位相条件で多モード導波路８０３内を伝搬する。そして、多モード導波路８０３内を伝搬した光は、出力導波路８０４に入射し、出力信号光８１２として端面８０６から出射される。なお、（１）式の関係を満たすように、多モード導波路８０３の長さＬ_MMIを設定することにより、多モード導波路８０３内を伝搬した信号光を出力導波路８０４の基本モードに結合させることができ、多モード導波路８０３と出力導波路８０４との間の結合損失を低減させることができる。

ここで、多モード導波路８０３のコアは利得媒質を含むため、入力信号光８１１は、多モード導波路８０３を伝搬するに従って増幅され、増幅された出力信号光８１２を得ることができる。
一方、多モード導波路８０３にて生成された自然放出光は四方八方に放出され、多モード導波路８０３の両脇の高反射膜８０９、８１０にて反射させることにより、入力信号光８１１の導波方向と直交する方向にレーザ発振を起こさせることができる。そして、入力信号光８１１の導波方向と直交する方向にレーザ発振が起こると、多モード導波路８０３に入射された信号光強度が変動した場合においても、多モード導波路８０３のキャリア密度を一定に保つことができ、光増幅素子の利得を一定値にクランプさせることができる。

このため、入力導波路８０２および出力導波路８０４をバットジョイント構成とした場合においても、出力導波路８０４から出射される増幅光に発振光が混入することを防止しつつ、発振により利得がクランプされた利得媒質内で、入力信号光８１１を増幅させることが可能となる。この結果、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となる。

図６は、本発明の第４実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す平面図である。
図６において、ｎ−ＩｎＰ基板９０１上には、入力信号光９１１を入力する入力導波路９０２、入力信号９１１を導波させる多モード導波路９０３、出力信号光９１２を出力する出力導波路９０４が形成されている。
ここで、入力導波路９０２および出力導波路９０４は、ＩｎＧａＡｓＰをコアとした利得媒質からなるシングルモード導波路から構成することができ、多モード導波路９０３は、ＩｎＧａＡｓＰをコアとした利得媒質からなる多モード導波路から構成することができる。また、入力導波路９０２、多モード導波路９０３および出力導波路９０４は導波路中心軸が互いに一致するようにｎ−ＩｎＰ基板９０１上に並べて配置することができる。また、多モード導波路９０３の長さＬは、多モード導波路９０３の幅をＷ、多モード導波路９０３の縦方向（基板垂直方向）の等価屈折率をｎ_eq、入力信号光９１１の波長をλとすると、
Ｌ＝ｍ・ｎ_eq・Ｗ²／λ（ただし、ｍは正の整数） ・・・（６）
の関係を満たすように設定することができる。また、多モード導波路９０３の幅Ｗは、複数モードの光が伝播されるように設定することができ、入力導波路９０２および出力導波路９０４の幅は、単一モードの光が伝播されるように設定することができる。

また、入力導波路９０２側のｎ−ＩｎＰ基板９０１の端面９０５には反射防止膜９０７が形成されるとともに、出力導波路９０４側のｎ−ＩｎＰ基板９０１の端面９０６には反射防止膜９０８が形成されている。さらに、多モード導波路９０３の両脇には、高反射膜９０９、９１０が対向配置されている。
そして、入力導波路９０２に入射した入力信号光９１１は、入力導波路９０２を伝搬して多モード導波路９０３に入射される。そして、入力信号光９１１が多モード導波路９０３に入射すると、多モード導波路９０３内の複数の伝搬モードが励振され、それぞれの伝搬定数により決定される位相条件で多モード導波路９０３内を伝搬する。そして、多モード導波路９０３内を伝搬した光は、出力導波路９０４に入射し、出力信号光９１２として端面９０６から出射される。

ここで、自己結像効果によるスポット状の集光現象は周期的に繰り返される。そのため、（６）式の関係を満たすように、光が最初にスポット状に集光されるまでの長さＬ_MMIの整数倍になるように、多モード導波路９０３の長さを設定した場合においても、多モード導波路９０３内を伝搬した信号光を出力導波路９０４の基本モードに結合させることができ、多モード導波路９０３と出力導波路９０４との間の結合損失を低減させることができる。

また、光が最初にスポット状に集光されるまでの長さＬ_MMIの整数倍になるように、多モード導波路９０３の長さを設定することにより、自己結合効果を発現させることを可能としつつ、クランプ利得を稼ぐことが可能となる。このため、注入電流密度を一定に保ちつつ、多モード導波路９０３のサイズを小さくすることが可能となり、出力導波路９０４の基本モードに信号光を低損失で結合させることを可能としつつ、駆動電流を低減させることができる。

例えば、光が最初にスポット状に集光されるまでの長さＬ_MMIの３倍になるように、多モード導波路９０３の長さを設定した場合について考える。また、例えば、高反射膜９０９、９１０の反射率Ｒ_Hが０．９４、すなわち９４％であったとする。そして、多モード導波路９０３の幅Ｗ＝１０μｍとすると、（５）式により、多モード導波路９０３をＬ_MMIだけ伝搬した時の信号光のクランプ利得は５．６ｄＢとなる。この時、多モード導波路９０３において、光が最初にスポット状に集光されるまでの長さＬ_MMIは、（１）式により２０９μｍとなる。このため、多モード導波路９０３の長さＬは３×Ｌ_MMI＝６２７μｍとなる。また、多モード導波路９０３におけるＬ_MMI当たりのクランプ利得は５．６ｄＢなので、多モード導波路９０３全体のクランプ利得は１６．８Ｂとなる。

また、図１の実施形態では、多モード導波路４０３の幅Ｗおよび長さＬがそれぞれ２０μｍ、８３６μｍであったのに対し、図６の実施形態では、多モード導波路９０３の幅Ｗおよび長さＬがそれぞれ１０μｍ、６２７μｍであるため、面積で比較すると、３／８になっている。
一方、図１の実施形態では、しきい値利得Ｇ_lateralは０．４６ｄＢ／２０μｍであり、単位長さ当たりの発振しきい値利得密度は０．０２３（ｄＢ／μｍ）であるのに対し、図６の実施形態では、しきい値利得Ｇ_lateralは０．２７ｄＢ／１０μｍであり、単位長さ当たりの発振しきい値利得密度は０．０２７（ｄＢ／μｍ）とほぼ同一の利得密度で動作するため、注入電流密度もほぼ同一になると考えられる。従って、光が最初にスポット状に集光されるまでの長さＬ_MMIの３倍になうように、多モード導波路９０３の長さを設定した場合においても、多モード導波路９０３の面積は３／８となり、注入電流密度を一定とすると、半分以下の電流で駆動することができる。

なお、図６の実施形態でも、導波路の構成、コア層もしくは利得媒質の組成および構造、ＳＣＨ構造の有無などは、図１の実施形態と同様に様々な変形を施すことができる。また、図６の実施形態では、入力導波路９０２および出力導波路９０４についても、ＩｎＧａＡｓＰをコアとした利得媒質からなるシングルモード導波路から構成する方法について説明したが、図５と同様に、入力導波路９０２および出力導波路９０４が入力信号光９１１の波長に対して透明な媒質を用いて構成されるようにしてもよい。また、図６の実施形態では、光が最初にスポット状に集光されるまでの長さＬ_MMIの３倍になるように、多モード導波路９０３の長さＬを設定する方法について説明したが、多モード導波路９０３の長さＬは、光が最初にスポット状に集光されるまでの長さＬ_MMIの３倍に限定されることなく、光が最初にスポット状に集光されるまでの長さＬ_MMIの整数倍ならばいくつでもよい。

次に、上述した実施形態の効果が期待できるような構造パラメータに範囲について説明する。
上述した光増幅素子では、入力信号光に対しては進行波型の増幅が行われ、多モード導波路の幅方向にはレーザ発振が生じる。このため、高反射膜の反射率Ｒ_H、多モード導波路の幅Ｗ、多モード導波路の長さＬおよび反射防止膜の反射率Ｒ_ARとの関係は、以下のように説明される。クランプされた単位長さ当たりの利得をＧ_clamp（ｄＢ）とすると、多モード導波路の幅方向で発振が生じるためのしきい値利得Ｇ_lateralは、
Ｇ_lateral＝Ｇ_clamp×Ｗ＝−１０×ｌｏｇ（Ｒ_H）（ｄＢ） ・・・（７）

一方、信号光の伝搬方向で発振が生じないようにするためには、反射防止膜での反射によるキャビティ内の反射損失が信号利得Ｇ_signalよりも大きいことが必要である。反射防止膜での反射によるキャビティ内の反射損失は、１０×ｌｏｇ（Ｒ_AR）で表されるため、信号光の伝搬方向で発振が生じないようにするためには、
Ｇ_signal＝Ｇ_clamp×Ｌ＜−１０×ｌｏｇ（Ｒ_AR） ・・・（８）
という条件を満たすことが必要である。（７）式および（８）式を用いて（８）式のＧ_clampを消去すると、
Ｌ×ｌｏｇ（Ｒ_H）＞Ｗ×ｌｏｇ（Ｒ_AR） ・・・（９）
となる。
図６の多モード導波路の多段接続の場合は、接続数ｍを用いて以下の条件を満たせば、上述したような動作が期待できる。
ｍ×Ｌ×ｌｏｇ（Ｒ_H）＞Ｗ×ｌｏｇ（Ｒ_AR） ・・・（１０）

上述した光増幅素子は、光通信、光交換、光情報処理などの光を利用した光伝送処理システムなどの用途に適用することができ、特に、波長多重数による光信号の利得変動を防止することを可能としつつ、波長多重光伝送システムの大型化を抑制することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ´線で切断した光増幅素子の構成例を示す断面図である。 図１の光増幅素子の飽和特性を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す平面図である。 本発明の第４実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す平面図である。 図７（ａ）は、従来の光増幅素子を光導波方向に沿って切断した断面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ´線で切断した断面図である。 図７の光増幅素子の飽和特性を示す図である。 図９（ａ）は、従来の光増幅素子を光導波方向に沿って切断した断面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＣ−Ｃ´線で切断した断面図である。 図９の光増幅素子の飽和特性を示す図である。

符号の説明

４０１、５０１、７０１、８０１、９０１ ｎ−ＩｎＰ基板
４０２、８０２、９０２ 入力導波路
４０３、８０３、９０３ 多モード導波路
４０４、８０４、９０４ 出力導波路
４０５、４０６、８０５、８０６、９０５、９０６ 端面
４０７、４０８、８０７、８０８、９０７、９０８ 反射防止膜
４０９、４１０、５０９、５１０、７０９、７１０、８０９、８１０、９０９、９１０ 高反射膜
４１１、８１１、９１１ 入力信号光
４１２、８１２、９１２ 出力信号光
５０２、７０２ ＩｎＧａＡｓＰ活性層
５０３、７０３ ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層
５０４、７０４ ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層
５０５、７７７０５ ｐ−ＩｎＰクラッド層
５０６、７０６ ｐ−ＧａＩｎＡｓキャップ層
５０７、７０７ ｐ側電極
５０８、７０８ ｎ側電極
７１１ ＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込め層

Claims (6)

1. 単一モードの光を導波させる入力導波路と、
   前記入力導波路に光学的に結合され、複数モードの光を導波させるとともに、少なくとも一部に利得媒質を含むように構成された多モード導波路と、
   前記多モード導波路に光学的に結合され、単一モードの光を導波させる出力導波路と、
   前記利得媒質から放射される自然放出光を反射させることにより、前記入力導波路を介して前記多モード導波路に入射された光の伝搬方向と交差する方向に発振を起こさせる反射領域とを前記多モード導波路に入射された光の利得領域と発振した光の利得領域が一致するように備え、
   前記反射領域には高反射膜が形成され、
   前記入力導波路および前記入力導波路の端面には反射防止膜が形成され、
   前記多モード導波路の長さをＬ、幅をＷ、前記高反射膜の反射率をＲ_Ｈ、反射防止膜の反射率をＲ_ＡＲとすると、
   Ｌ×ｌｏｇ（Ｒ_Ｈ）＞Ｗ×ｌｏｇ（Ｒ_ＡＲ）という関係を満たすことを特徴とする光増幅素子。
2. 前記入力導波路、前記多モード導波路および前記出力導波路は導波路中心軸が互いに一
   致するように同一基板上に並べて配置され、前記反射領域は前記多モード導波路の両脇に
   対向配置されていることを特徴とする請求項１記載の光増幅素子。
3. 前記入力導波路、前記多モード導波路および前記出力導波路は互いに共通の利得媒質か
   ら構成されるコアを備え、前記多モード導波路の前記コアの幅が前記入力導波路および前
   記出力導波路の前記コアの幅より広いことを特徴とする請求項２記載の光増幅素子。
4. 前記多モード導波路の長さをＬ、幅をＷ、屈折率をｎ_ｅｑ、信号光波長をλとすると、
   Ｌ＝ｍ・ｎ_ｅｑ・Ｗ^２／λ（ただし、ｍは正の整数）
   であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の光増幅素子。
5. 前記多モード導波路のコアの一部を構成し、前記多モード導波路よりも幅が広くなるよ
   うに前記反射領域の方向に延伸され、信号光波長に対して透明な透明層をさらに備えるこ
   とを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の光増幅素子。
6. 前記反射領域は、前記多モード導波路の側壁に形成された誘電体多層膜または金属膜を
   備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の光増幅素子。
   

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