JP4611710B2 - 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１１（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１１（ｂ）は、図１１（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１１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１２は、図１１の光増幅素子の飽和特性を示す図である。
図１２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１１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１３（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１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＣ−Ｃ´線で切断した断面図である。
図１３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１３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１３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１４は、図１３の光増幅素子の飽和特性を示す図である。
図１４において、図１３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１３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１３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依存することなく、利得を一定に保つことができる。

Ｋ．Ｍｏｒｉｔｏ他、"Ｈｉｇｈ−Ｏｕｔｐｕｔ−Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−Ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ"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１３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１３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。

さらに、信号光の利得は、ＤＦＢのグレーティングにより決まる発振光の発振閾値利得にクランプされるため、ＤＦＢ型光増幅素子の製造段階で一意に定まり、ＤＦＢ型光増幅素子の使用時に信号光の利得を可変させることができないという問題もあった。
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できるとともに、使用時に信号光の利得を可変させ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記載の光増幅素子は、単一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単一モード導波路と、前記単一モード導波路の出射側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の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、前記単一モード導波路および前記多モード導波路に独立して電流を注入する第１電流注入手段と、を備え、前記単一モード導波路は、注入される電流により信号光の利得を可変に制御し、前記多モード導波路は、注入される電流により、入射された光の伝搬方向と交差する方向に発振を起こして利得をクランプし、前記単一モード導波路から出射された信号光を増幅することを特徴とする。

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可能となるとともに、光増幅素子の製造後に信号光の利得を可変させることが可能となる。このため、出力増幅光に発振光が混入することを防止しつつ、発振作用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とともに、光増幅素子の使用時に信号光の利得を調整することができる。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とともに、所望の信号光強度を容易に得ることが可能となる。

また、請求項２記載の光増幅素子は、前記多モード導波路は複数の多モード導波路を有していることを特徴とする
また、請求項３記載の光増幅素子は、少なくとも２個の多モード導波路の導波路幅は互いに異なることを特徴とする。
これにより、多モード導波路ごとに注入キャリア密度を変化させることが可能となる。このため、利得を稼ぎながら、飽和出力パワーを増大させたり、ＮＦ（ノイズフィギュア）を向上させたりすることができ、光増幅素子の用途に応じて多様な動作状態を実現することができる。

また、請求項４記載の光増幅素子は、前記第１電流注入手段は、少なくとも２個の多モード導波路に独立に電流を注入する第２電流注入手段を備えることを特徴とする。
これにより、多モード導波路ごとに注入電流密度を独立に制御することが可能となり、多モード導波路ごとに導波路幅が互いに異なる場合においても、光増幅素子を効率よく駆動することができる。

また、請求項５記載の光増幅素子は、前記単一モード導波路および前記多モード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、単一モード導波路および多モード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６記載の光増幅素子は、前記単一モード導波路および前記多モード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単一モード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、単一モード導波路および多モード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７記載の光増幅素子は、前記多モード導波路のうち、ｉ番目の多モード導波路の長さをＬ_i 、幅をＷ_i 、屈折率をｎ_eqi 、信号光波長をλとすると、Ｌ_i ＝ｍ_i ・ｎ_eqi ・Ｗ_i ² ／λ（ただし、ｍ_i 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８記載の光増幅素子は、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９記載の光増幅素子は、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、単一モード導波路および多モード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、出力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とともに、光増幅素子の製造後に信号光の利得を可変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とともに、光増幅素子の使用時に信号光の利得を容易に調整することができる。

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、単一モード導波路が形成された第１領域Ｒ１と多モード導波路が形成された第２領域Ｒ２が設けられている。すなわち、ｎ−ＩｎＰ基板４０１上には、多モード導波路４０３ａに接続され、入力信号光４１１を入力する入力導波路４０２、信号光を導波させる複数の多モード導波路４０３ａ、４０３ｂ、多モード導波路４０３ａ、４０３ｂを互いに接続する接続導波路４１３、多モード導波路４０３ｂに接続され、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４０３ａ、４０３ｂ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、接続導波路４１３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る。そして、入力導波路４０２および多モード導波路４０３ａ、４０３ｂの利得媒質にはそれぞれ独立して電流を注入することができる。

また、入力導波路４０２、多モード導波路４０３ａ、４０３ｂ、接続導波路４１３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、各多モード導波路４０３ａ、４０３ｂの長さＬ_i（ｉ＝１、２）は、ｉ番目の多モード導波路４０３ａ、４０３ｂの幅をＷ_i、ｉ番目の多モード導波路４０３ａ、４０３ｂの縦方向（基板垂直方向）の等価屈折率をｎ_eqi、入力信号光４１１の波長をλとすると、
Ｌ_i＝ｍ・ｎ_eqi・Ｗ_i ²／λ ・・・（１）
の関係を満たすように設定することができる。ただし、ｍは正の整数である。なお、以下の説明では、（１）式の関係を満たす各多モード導波路４０３ａ、４０３ｂの長さＬ₁、Ｌ₂をＬ_MMIとする。ここで、各多モード導波路４０３ａ、４０３ｂの長さＬ_MMIは、各多モード導波路４０３ａ、４０３ｂ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、多モード干渉では、長さＬ_MMIごとに周期的にスポットが形成されるため、（１）式では、その整数倍を各多モード導波路４０３ａ、４０３ｂの長さＬ₁、Ｌ₂として用いることを示している。

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４０３ａに入射される。ここで、多モード導波路４０３ａ、４０３ｂと独立に入力導波路４０２に電流を注入することにより、電流注入量に応じて入力導波路４０２の利得を変化させることができ、入力導波路４０２を伝搬する入力信号光４１１を所望の強度に増幅することができる。なお、入力信号光４１１の増幅を入力導波路４０２にて行うことにより、入力信号光４１１の強度が微弱な状態のままで入力導波路４０２を伝搬させることができる。このため、増幅後の入力信号光４１１の強度が入力導波路４０２における飽和出力強度に達しないようにすることができ、光強度に対する利得が平坦な領域で入力信号光４１１を増幅させることができる。このため、入力信号光４１１の強度が変動した場合においても、入力導波路４０２での利得変動を抑えることができ、入力導波路４０２での利得を一定に保ちつつ、入力信号光４１１を増幅させることができる。

そして、入力導波路４０２にて増幅された入力信号光４１１が多モード導波路４０３ａに入射すると、入力信号光４１１は多モード導波路４０３ａ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４０３ａ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４０３ａ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４０３ａ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４０３ａ内を伝搬する。

そして、多モード導波路４０３ａ内を伝搬した信号光は接続導波路４１３に入射し、接続導波路４１３を伝搬した後、多モード導波路４０３ｂに入射する。そして、多モード導波路４０３ｂに入射した信号光は、多モードに展開されながら多モード導波路４０３ｂを伝搬し、出力導波路４０４に入射する。そして、出力導波路４０４に入射した信号光は、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。
ここで、各多モード導波路４０３ａ、４０３ｂ内において、光がある距離だけ伝搬すると、各モードの光の位相が各多モード導波路４０３ａ、４０３ｂ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、各多モード導波路４０３ａ、４０３ｂの長さＬ₁、Ｌ₂をＬ_MMIに設定することにより、各多モード導波路４０３ａ、４０３ｂ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。これにより、各多モード導波路４０３ａ、４０３ｂ内で自己結像効果を起こさせることが可能となり、各多モード導波路４０３ａ、４０３ｂ内を伝搬した信号光を、接続導波路４１３および出力導波路４０４の基本モードにそれぞれ結合させることができる。このため、複数の伝搬モードを各多モード導波路４０３ａ、４０３ｂ内で励振させた場合においても、各多モード導波路４０３ａ、４０３ｂと接続導波路４１３および出力導波路４０４との間の結合損失を低減させることができる。

また、入力導波路４０２および多モード導波路４０３ａ、４０３ｂのコアは利得媒質を含むため、入力導波路４０２にて利得が調整された入力信号光４１１は、多モード導波路４０３ａ、４０３ｂにて増幅され、トータル利得を可変させることを可能としつつ、増幅された出力信号光４１２を得ることができる。
一方、各多モード導波路４０３ａ、４０３ｂにて生成された自然放出光は四方八方に放出され、各多モード導波路４０３ａ、４０３ｂ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、各多モード導波路４０３ａ、４０３ｂに入射された信号光の強度が変動した場合においても、各多モード導波路４０３ａ、４０３ｂ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。
また、複数の多モード導波路４０３ａ、４０３ｂを多段接続することにより、多モード導波路４０３ａ、４０３ｂ全体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り、駆動電流を低減させることができる。

図２は、図１のＢ−Ｂ´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４０３ｂでは、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２がｎ−ＩｎＰ基板５０１上にストライプ状に形成されている。なお、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２の幅は、複数モードの光が伝搬されるように設定することができ、多モード導波路４０３ｂ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４０３ｂ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。なお、図１の多モード導波路４０３ａも同様の構成をとることができる。

一方、入力導波路４０２のＡ−Ａ´線で切断した構成および出力導波路４０４のＣ−Ｃ´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４０３ａ、４０３ｂ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４０３ａ、４０３ｂ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。また、接続導波路４１３も入力導波路４０２および出力導波路４０４と同様の構成をとることができる。

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。

すなわち、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４０３ａ、４０３ｂ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_MMIの多モード導波路として、発振光に対しては幅Ｌ_MMI、長さＷの多モード導波路として作用するため、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。

図３は、図１のＤ−Ｄ´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３において、ｎ−ＩｎＰ基板１２０１上には、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１２０２が形成されている。ここで、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１２０２の幅は、多モード導波路４０３ａ、４０３ｂでは、複数モードの光が伝搬されるように設定するとともに、多モード導波路４０３ａ、４０３ｂごとに互いに異なるように設定することができる。また、入力導波路４０２、接続導波路４１３および出力導波路４０４では、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１２０２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、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１２０２上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層１２０５が形成されている。ここで、ｎ−ＩｎＰ基板１２０１とｐ−ＩｎＰクラッド層１２０５との間にＩｎＧａＡｓＰ活性層１２０２を形成することにより、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１２０２をコアとした利得媒質からなる入力導波路４０２および多モード導波路４０３ａ、４０３ｂをそれぞれ構成することができる。

そして、ｐ−ＩｎＰクラッド層１２０５上にはｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１２０６ａ〜１２０６ｃが形成されている。ここで、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１２０６ａ〜１２０６ｃは、入力導波路４０２および多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂにそれぞれ対応するように分割して配置されている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１２０６ａ〜１２０６ｃ上にはｐ側電極１２０７ａ〜１２０７ｃがそれぞれ形成され、ｎ−ＩｎＰ基板１２０１の裏面にはｎ側電極１２０８が形成されている。
ここで、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１２０６ａ〜１２０６ｃおよびｐ側電極１２０７ａ〜１２０７ｃをそれぞれ分割することにより、入力導波路４０２および多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂごとに注入電流密度を独立に制御することができる。

図４は、本発明の光増幅素子の動作原理を示す平面図である。なお、図４の光増幅素子の構成は、図１の光増幅素子の多モード導波路４０３ａ、４０３ｂを１つだけ設けた場合に対応している。
すなわち、図４において、ｎ−ＩｎＰ基板６０１上には、入力信号光６１１を入力する入力導波路６０２、入力信号光６１１を導波させる多モード導波路６０３、出力信号光６１２を出力する出力導波路６０４が形成されている。ここで、入力導波路６０２および出力導波路６０４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６０３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６０２側のｎ−ＩｎＰ基板６０１の端面６０５には反射防止膜６０７が形成されるとともに、出力導波路６０４側のｎ−ＩｎＰ基板６０１の端面６０６には反射防止膜６０８が形成されている。さらに、多モード導波路６０３の両脇には、高反射膜６０９、６１０が対向配置されている。
そして、入力導波路６０２に入射した入力信号光６１１は、入力導波路６０２を伝搬して多モード導波路６０３に入射される。そして、入力信号光６１１が多モード導波路６０３に入射すると、入力信号光６１１は多モード導波路６０３における固有モードに展開される。すなわち、入力導波路６０２の基本伝搬モードと多モード導波路６０３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６０３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６０３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６０３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６０３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。ここで、（１）式の関係を満たすように、多モード導波路６０３の長さＬを設定することにより、多モード導波路６０３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６０３内を長さＬ_MMIだけ伝搬した信号光は出力導波路６０４に入射し、出力導波路６０４を伝搬した後、出力信号光６１２として端面６０６から出射される。

これにより、多モード導波路６０３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６０３内を伝搬した信号光を出力導波路６０４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６０３内で励振させた場合においても、多モード導波路６０３と出力導波路６０４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６０３の幅Ｗ＝２０μｍ、多モード導波路６０３の等価屈折率ｎ_eq＝３．２４、入力信号光４１１の波長λ＝１．５５μｍ、ｍ＝１とすると、多モード導波路６０３の長さＬ_MMI＝８３６μｍに設定することができる。
また、入力導波路６０２、多モード導波路６０３および出力導波路６０４のコアは利得媒質を含むため、入力信号光６１１は、入力導波路６０２、多モード導波路６０３および出力導波路６０４を伝搬するに従って増幅され、増幅された出力信号光６１２を得ることができる。

一方、多モード導波路６０３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６０３の両脇の高反射膜６０９、６１０にて反射させることにより、入力信号光６１１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６１１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６０３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６０３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６０４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６１１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。

ここで、図４のＡ−Ａ´線で切断した光増幅素子の構成は図２の構成と同様とすることができ、図４のＢ−Ｂ´線で切断した光増幅素子の構成は図１のＣ−Ｃ´線で切断した光増幅素子の構成と同様とすることができる。
そして、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６０３では自然放出光が四方八方に放出され、多モード導波路６０３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６０３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６０３の幅方向に形成され、多モード導波路６０３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６０３の幅Ｗ＝２０μｍとすると、多モード導波路６０３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６０３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６０２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６０３の長さＬ_MMI＝８３６μｍであり、多モード導波路６０３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６０３を伝搬した時の信号光の利得は、
８３６μｍ×（０．４６ｄＢ／２０μｍ）＝１９ｄＢ ・・・（２）
にクランプされる。

そして、多モード導波路６０３の利得がクランプされると、これ以上多モード導波路６０３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６０５および出射側端面６０６には反射防止膜６０７、６０８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６０３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５は、図４の光増幅素子の飽和特性を示す図である。
図５において、多モード導波路６０３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６０３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６０３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６０３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６０３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６０３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３の入力信号光６１１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１４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６１１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。

ここで、図４の光増幅素子が１つの多モード導波路６０３を用いているのに対し、図１の光増幅素子が複数の多モード導波路４０３ａ、４０３ｂを多段接続している点を除けば、図１の光増幅素子の動作原理は、図４の光増幅素子の動作原理と同様である。
そして、図１の構成では、長さがそれぞれＬ_MMIに設定された複数の多モード導波路４０３ａ、４０３ｂを多段接続することにより、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４０３ａ、４０３ｂのサイズを小さくすることが可能となり、接続導波路４１３および出力導波路４０４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、高反射膜４０９、４１０の反射率Ｒ_Hが０．９４、すなわち９４％であったとする。そして、各多モード導波路４０３ａ、４０３ｂの幅Ｗ＝１０μｍとすると、（５）式により、多モード導波路４０３ａ、４０３ｂをＬ_MMIだけ伝搬した時の信号光のクランプ利得はそれぞれ５．６ｄＢとなる。この時、各多モード導波路４０３ａ、４０３ｂ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４０３ａ、４０３ｂを２段の縦属接続すると、多モード導波路４０３ａ、４０３ｂの１段分のクランプ利得は５．６ｄＢなので、多モード導波路４０３ａ、４０３ｂ全体のクランプ利得は１１．２Ｂとなる。

また、図１の構成では、多モード導波路４０３ａ、４０３ｂによる利得分だけでなく、入力導波路４０２による利得分もある。ここで、入力導波路４０２では、入力信号光４１１の伝搬方向と垂直な方向に自然放出光が反射されることがないため、入力信号光４１１の伝搬方向と垂直な方向に発振が起こることはない。このため、入力導波路４０２においては利得がクランプされることはなく、注入電流に応じて利得を変化させることができる。ただし、入力導波路４０２は、入力信号光４１１の入射端に配置されているため、入力信号光４１１の強度は弱く、入力導波路４０２にて増幅された入力信号光４１１の強度も飽和出力強度に達することはない。このため、入力導波路４０２では、図１２に示すように、入力光強度がＰ₁よりも小さな利得が平坦な領域で増幅動作を行わせることができる。このため、入力導波路４０２では、入力信号光４１１の強度が変動した場合においても、利得変動を抑えることができ、利得を一定に保つことができる。

例えば、入力導波路４０２の幅Ｗ₀および長さＬ₀はそれぞれ０．８ｍｍ、２００μｍに設定することができる。そして、入力導波路４０２への注入電流を変化させることにより、入力導波路４０２の利得を−２０ｄＢ（吸収）から＋１０ｄＢ（増幅）まで変化させることができる。
そして、入力導波路４０２にて増幅された入力信号光４１１が多モード導波路４０３ａ、４０３ｂに入射すると、多モード導波路４０３ａ、４０３ｂにて利得がクランプされながら入力信号光４１１がさらに増幅され、入力信号光４１１の利得変動を伴うことなく、入力信号光４１１の利得を稼ぐことができる。例えば、入力導波路４０２にて−２０ｄＢから＋１０ｄＢまで利得が可変させられた入力信号光４１１が多モード導波路４０３ａ、４０３ｂに入射すると、多モード導波路４０３ａ、４０３ｂにて１１．２Ｂ分だけ増幅され、全体で−８．８ｄＢから＋２１．２ｄＢまで利得を可変させることができる。

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、少なくとも入力導波路４０２および多モード導波路４０３ａ、４０３ｂ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。

また、上述した実施形態では、ｍ＝１の場合について説明したが、各多モード導波路４０３ａ、４０３ｂの長さはそれぞれ独立に（１）式を満たせばよく、ｍ＝１に限定されない。例えば、多モード導波路４０３ａではｍ＝２、多モード導波路４０３ｂではｍ＝１とするようにしてもよく、多モード導波路４０３ａ、４０３ｂごとに任意の整数ｍを用いた場合にも本発明の効果が期待できる。さらに、上述した実施形態では、多モード導波路４０３ａ、４０３ｂを２段接続する方法について説明したが、２段に限定されることなく、ｎ（ｎは正の整数）段構成なら何段でもよい。

また、上述した実施形態では、高反射膜４０９、４１０を第２領域Ｒ２にのみ形成する方法について説明したが、高反射膜４０９、４１０を第１領域Ｒ１に延伸させるようにしてもよい。ここで、入力導波路４０２では、利得領域の幅が小さく幅方向の利得が小さいため、高反射膜４０９、４１０を第１領域Ｒ１に延伸させた場合においても、入力導波路４０２の幅方向に発振が起こらないようにすることができる。このため、入力導波路４０２の利得がクランプされることを防止することができ、注入電流に応じて入力導波路４０２の利得を調整することができる。例えば、入力導波路４０２の幅は０．８〜１．２μｍ程度以下、多モード導波路４０３ａ、４０３ｂの幅は８〜１２μｍ程度であるため、入力導波路４０２の幅は多モード導波路４０３ａ、４０３ｂの幅の１／１０以下となる。このため、入力導波路４０２の幅方向の利得は（３）式のしきい値利得Ｇ_lateralには達することはないため、高反射膜４０９、４１０を第１領域Ｒ１に延伸させた場合においても、入力導波路４０２の利得がクランプされることを防止することができる。

図６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６の断面図は、図１のＢ−Ｂ´線で切断した光増幅素子の構成部分に対応し、図６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６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搬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。ここで、ＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込め層７１１は、ＩｎＧａＡｓＰ活性層７０２とともに導波路のコアを構成することができ、多モード導波路の幅よりも横に広がるようにして、高反射膜７０９、７１０まで到達するように構成することができる。

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。

そして、図６の多モード導波路の前段にシングルモード利得領域を設け、多モード導波路とシングルモード利得領域とに独立して電流を注入することができる。そして、シングルモード利得領域で利得を可変させながら信号光を増幅し、多モード導波路にて利得をクランプさせながら信号光をさらに増幅することができる。このため、入力光強度または出力光強度が増大しても利得変動を抑制することが可能となるとともに、電流注入に応じて利得を可変させつつ安定に増幅を行わせることができる。また、発振光の伝搬方向を信号光の伝搬方向と直行させることができ、発振光を除去するための波長フィルタを不要とすることができる。

なお、高反射膜７０９、７１０は必ずしも導波路に沿うようにして構成する必要はない。また、上述した実施形態では、ＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込め層７１１の幅をＩｎＧａＡｓＰ活性層７０２の幅よりも広くする方法について説明したが、ＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込め層７１１の幅はＩｎＧａＡｓＰ活性層７０２の幅と等しくてもよい。

図７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７において、ｎ−ＩｎＰ基板９０１上には、多モード導波路９０３ａに接続され、入力信号光９１１を入力する入力導波路９０２、信号光を導波させる複数の多モード導波路９０３ａ、９０３ｂ、多モード導波路９０３ａ、９０３ｂを互いに接続する接続導波路９１３、多モード導波路９０３ｂに接続され、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は、ＩｎＧａＡｓＰをコアとしたシングルモード利得導波路から構成することができ、出力導波路９０４は、入力信号光９１１の波長に対して透明なＩｎＧａＡｓＰをコアとした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９０３ａ、９０３ｂ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、接続導波路９１３は、入力信号光９１１の波長に対して透明なＩｎＧａＡｓＰをコアとしたシングルモード導波路から構成することができる。そして、入力導波路４０２および多モード導波路４０３ａ、４０３ｂの利得媒質にはそれぞれ独立して電流を注入することができる。

また、入力導波路９０２、多モード導波路９０３ａ、９０３ｂ、接続導波路９１３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、各多モード導波路９０３ａ、９０３ｂの長さＬ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、各多モード導波路９０３ａ、９０３ｂの幅Ｗは、複数モードの光が伝搬されるように設定することができ、入力導波路９０２、接続導波路９１３および出力導波路９０４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。
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。

図８は、図７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８において、ｎ−ＩｎＰ基板１００１上には、ＩｎＧａＡｓＰ入力導波路活性層１００２、ＩｎＧａＡｓＰ多モード導波路活性層１００３ａ、１００３ｂ、ＩｎＧａＡｓＰ接続導波路コア層１００９およびＩｎＧａＡｓＰ出力導波路コア層１００４が形成されている。ここで、ＩｎＧａＡｓＰ多モード導波路活性層１００３ａは、ＩｎＧａＡｓＰ入力導波路活性層１００２に接続され、ＩｎＧａＡｓＰ多モード導波路活性層１００３ｂは、ＩｎＧａＡｓＰ接続導波路コア層１００９とＩｎＧａＡｓＰ出力導波路コア層１００４との間に配置されている。

なお、ＩｎＧａＡｓＰ入力導波路活性層１００２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、例えば、０．８μｍに設定することができる。また、ＩｎＧａＡｓＰ多モード導波路活性層１００３ａ、１００３ｂの幅は、複数モードの光が伝搬されるように設定することができ、例えば、２０μｍに設定することができる。

そして、ＩｎＧａＡｓＰ入力導波路活性層１００２、ＩｎＧａＡｓＰ多モード導波路活性層１００３ａ、１００３ｂ、ＩｎＧａＡｓＰ接続導波路コア層１００９およびＩｎＧａＡｓＰ出力導波路コア層１００４上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層１００５が形成されている。ここで、ＩｎＧａＡｓＰ入力導波路活性層１００２およびＩｎＧａＡｓＰ多モード導波路活性層１００３ａ、１００３ｂをｎ−ＩｎＰ基板１００１とｐ−ＩｎＰクラッド層１００５との間に形成することにより、ＩｎＧａＡｓＰ入力導波路活性層１００２をコアとした利得媒質からなる単一モード導波路９０２を構成することが可能となるとともに、ＩｎＧａＡｓＰ多モード導波路活性層１００３ａ、１００３ｂをコアとした利得媒質からなる多モード導波路９０３ａ、９０３ｂをそれぞれ構成することができる。

そして、ｐ−ＩｎＰクラッド層１００５上にはｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１００６ａ〜１００６ｃが形成されている。ここで、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１００６ａ〜１００６ｃは、ＩｎＧａＡｓＰ入力導波路活性層１００２およびＩｎＧａＡｓＰ多モード導波路活性層１００３ａ、１００３ｂにそれぞれ対応するように分割して配置されている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１００６ａ〜１００６ｃ上にはｐ側電極１００７ａ〜１００７ｃがそれぞれ形成され、ｎ−ＩｎＰ基板１００１の裏面にはｎ側電極１００８が形成されている。

ここで、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１００６ａ〜１００６ｃおよびｐ側電極１００７ａ〜１００７ｃをそれぞれ分割することにより、ＩｎＧａＡｓＰ入力導波路活性層１００２およびＩｎＧａＡｓＰ多モード導波路活性層１００３ａ、１００３ｂにそれぞれ独立して電流を注入することが可能となるとともに、ＩｎＧａＡｓＰ接続導波路コア層１００９およびＩｎＧａＡｓＰ出力導波路コア層１００４に電流が注入されることを抑制することができ、フリーキャリア吸収損失を低減させることができる。

そして、図７において、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９０３ａに入射される。ここで、多モード導波路９０３ａ、９０３ｂと独立に入力導波路９０２に電流を注入することにより、電流注入量に応じて入力導波路９０２の利得を変化させることができ、入力導波路９０２を伝搬する入力信号光９１１を所望の強度に増幅することができる。

そして、入力信号光９１１が多モード導波路９０３ａに入射すると、多モード導波路９０３ａ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９０３ａ内を伝搬する。そして、多モード導波路９０３ａ内を伝搬した光は、接続導波路９１３に入射し、接続導波路９１３を伝搬した後、多モード導波路９０３ｂに入射する。そして、多モード導波路９０３ｂに入射した信号光は、多モードに展開されながら多モード導波路９０３ｂを伝搬し、出力導波路９０４に入射する。そして、出力導波路９０４に入射した信号光は、出力導波路９０４を伝搬した後、出力信号光９１２として端面９０６から出射される。

なお、（１）式の関係を満たすように、各多モード導波路９０３ａ、９０３ｂの長さＬを設定することにより、各多モード導波路９０３ａ、９０３ｂ内を伝搬した信号光を、接続導波路９１３および出力導波路９０４の基本モードにそれぞれ結合させることができ、各多モード導波路９０３ａ、９０３ｂと接続導波路９１３および出力導波路９０４との間の結合損失を低減させることができる。
ここで、入力導波路９０２および多モード導波路９０３ａ、９０３ｂのコアは利得媒質を含むため、入力導波路９０２にて利得が調整された入力信号光９１１は、各多モード導波路９０３ａ、９０３ｂを伝搬するに従って増幅され、トータル利得を可変させることを可能としつつ、増幅された出力信号光９１２を得ることができる。

一方、各多モード導波路９０３ａ、９０３ｂ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９０３ａ、９０３ｂの両脇の高反射膜９０９、９１０にて反射させることにより、入力信号光９１１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９１１の導波方向と直交する方向にレーザ発振が起こると、各多モード導波路９０３ａ、９０３ｂに入射された信号光強度が変動した場合においても、各多モード導波路９０３ａ、９０３ｂ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、接続導波路９１３および出力導波路９０４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９０４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９１１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、上述した実施形態では、接続導波路９１３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材質をコアとしたシングルモード導波路から構成されている。このため、多モード導波路９０３ａ、９０３ｂにて増幅された信号光がそれぞれ集光された状態で接続導波路９１３および出力導波路９０４に入射したために、光パワー密度が高くなった場合においても、利得飽和による波形劣化を防止することができる。また、接続導波路９１３および出力導波路９０４を、入力信号光９１１の波長に対して透明な材質をコアとしたシングルモード導波路から構成することにより、接続導波路９１３および出力導波路９０４に電流注入する必要がなくなり、駆動電流を低減することができる。

なお、上述した実施形態では、接続導波路９１３および出力導波路９０４の全てを入力信号光９１１の波長に対して透明な材質を用いて構成する方法について説明したが、必ずしも接続導波路９１３および出力導波路９０４の全てを入力信号光９１１の波長に対して透明な材質を用いて構成する必要はなく、接続導波路９１３および出力導波路９０４のいずれかを入力信号光９１１の波長に対して透明な材質を用いて構成するようにしてもよい。

また、多モード導波路９０３ａ、９０３ｂ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９０３ａ、９０３ｂ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。また、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。さらに、図７の実施形態では、高反射膜９０９、９１０を入力導波路９０２の横にまで延伸させる方法について説明したが、高反射膜９０９、９１０は少なくとも多モード導波路９０３ａ、９０３ｂの横にあればよい。

図９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９において、ｎ−ＩｎＰ基板１１０１上には、多モード導波路１１０３ａに接続され、入力信号光１１１１を入力する入力導波路１１０２、信号光を導波させる複数の多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂ、多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂを互いに接続する接続導波路１１１３、多モード導波路１１０３ｂに接続され、出力信号光１１１２を出力する出力導波路１１０４が形成されている。

ここで、入力導波路１１０２および出力導波路１１０４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１１０３ａ、１１０３ｂ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、接続導波路１１１３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る。そして、入力導波路１１０２および多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂの利得媒質にはそれぞれ独立して電流を注入することができる。

また、入力導波路１１０２、多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂ、接続導波路１１１３および出力導波路１１０４は導波路中心軸が互いに一致するようにｎ−ＩｎＰ基板１１０１上に並べて配置することができる。また、各多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂの幅Ｗ₁、Ｗ₂は複数モードの光がそれぞれ伝搬されるように互いに異なるように設定することができる。また、入力導波路１１０２、接続導波路１１１３および出力導波路１１０４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。また、各多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂの長さＬ₁、Ｌ₂は、（１）式の関係を満たすようにそれぞれ設定することができる。

また、入力導波路１１０２側のｎ−ＩｎＰ基板１１０１の端面１１０５には反射防止膜１１０７が形成されるとともに、出力導波路１１０４側のｎ−ＩｎＰ基板１１０１の端面１１０６には反射防止膜１１０８が形成されている。さらに、多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂの両脇には、高反射膜１１０９、１１１０が対向配置されている。
そして、入力導波路１１０２に入射した入力信号光１１１１は、入力導波路１１０２を伝搬して多モード導波路１１０３ａに入射される。ここで、多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂと独立に入力導波路１１０２に電流を注入することにより、電流注入量に応じて入力導波路１１０２の利得を変化させることができ、入力導波路１１０２を伝搬する入力信号光１１１１を所望の強度に増幅することができる。

そして、入力信号光１１１１が多モード導波路１１０３ａに入射すると、多モード導波路１１０３ａ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１１０３ａ内を伝搬する。そして、多モード導波路１１０３ａ内を伝搬した光は、接続導波路１１１３に入射し、接続導波路１１１３を伝搬した後、多モード導波路１１０３ｂに入射する。そして、多モード導波路１１０３ｂに入射した信号光は、多モードに展開されながら多モード導波路１１０３ｂを伝搬し、出力導波路１１０４に入射する。そして、出力導波路１１０４に入射した信号光は、出力導波路１１０４を伝搬した後、出力信号光１１１２として端面１１０６から出射される。

なお、（１）式の関係を満たすように、各多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂの長さＬ₁、Ｌ₂をそれぞれ設定することにより、各多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂ内を伝搬した信号光を、接続導波路１１１３および出力導波路１１０４の基本モードにそれぞれ結合させることができ、各多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂと接続導波路１１１３および出力導波路１１０４との間の結合損失を低減させることができる。

ここで、入力導波路１１０２および各多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂのコアは利得媒質を含むため、入力導波路１１０２にて利得が調整された入力信号光１１１１は、各多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂを伝搬するに従って増幅され、トータル利得を可変させることを可能としつつ、増幅された出力信号光１１１２を得ることができる。

一方、各多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂ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１１０３ａ、１１０３ｂの両脇の高反射膜１１０９、１１１０にて反射させることにより、入力信号光１１１１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１１１１の導波方向と直交する方向にレーザ発振が起こると、各多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂに入射された信号光強度が変動した場合においても、各多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂ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、多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂの幅Ｗ₁、Ｗ₂が互いに異なるように設定した場合においても、出力導波路１１０４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１１１１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、多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂの幅Ｗ₁、Ｗ₂が互いに異なるように設定することにより、多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂごとに注入キャリア密度を変化させることが可能となる。このため、利得を稼ぎながら、飽和出力パワーを増大させたり、ＮＦを向上させたりすることができ、光増幅素子の用途に応じて様々な動作状態を実現することができる。

例えば、高反射膜１１０９、１１１０の反射率Ｒ_Hが０．９４（９４％）であったとする。このとき、多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂの発振しきい値利得は、（３）式により、０．２７ｄＢとなる。いま、多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂの幅Ｗ₁、Ｗ₂がそれぞれ８μｍ、１２μｍであるとすると、（５）式により多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂを伝搬した時の信号光のクランプ利得はそれぞれ４．５ｄＢ、６．７ｄＢとなる。またこの時の多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂの長さＬ₁、Ｌ₂は、（１）式において、Ｌ_MMIをＬ_i、ｎ_eqをｎ_eqi、ＷをＷ_i、ｍをｍ_iと読み替え、さらにｍ_i＝１としてそれぞれ１３４μｍ、３０１μｍとなる。そこで、本実施形態で示したように、導波路幅Ｗ₁、Ｗ₂の多モード領域を、シングルモード接続導波路１１１３により２段縦属接続すると、２段全体ではクランプ利得は１１．２ｄＢとなる。これは、図１に示した第１実施形態の構成と等しい値となっている。

ここで、それぞれ幅の異なる多モード領域における単位長さ当たりの利得を考えてみると、幅が８μｍの領域では、０．２７ｄＢ／８μｍ＝０．０３３７５Ｂ／μｍ、幅が１２μｍの領域では、０．２７ｄＢ／１２μｍ＝０．０２２５ｄＢ／μｍとなっており、幅が狭い領域の方が単位長さ当たりの利得が高くなっていることがわかる。半導体媒質の単位長さ当たりの利得は非飽和時にはキャリア密度に比例するため、多モード領域のうちで幅が狭いほど高注入状態で動作していることになる。従って、当然のことながら、ｐ側電極１２０７ａ〜１２０７ｃに注入される電流は、複数存在する多モード領域において、幅が狭い領域ほど注入電流密度が高くなるように制御される。

飽和出力の増大は次の理由による。すなわち、第１実施形態において説明したように、本発明の光増幅素子は、利得を有する活性層内部での信号光と発振光の合計の光強度、もしくは光子密度が一定となるような状態で動作する。利得の飽和は、信号光強度が増加し、発振光強度がゼロとなった時に生じる。本実施形態では、多モード導波路を用いているため、飽和出力を上げるためには、活性層内部での信号光の強度分布、もしくは光子密度分布を下げるような構造とすればよいことになる。いま、信号光の強度について考えると、光強度もしくは光子密度は信号光の導波モードのモード断面積を大きくすることにより低減することができる。本実施形態の場合、信号光は多モード導波路を伝搬しているため、導波路幅を広くすることにより信号光のパワーはより多くの導波モードに分配され、導波路幅全体に広がるために光強度もしくは光子密度は小さくなる。シングルモード導波路の場合、シングルモード条件のために導波路幅には上限が存在するが、本実施形態では多モード導波路を用いているために、導波路幅に対する制約はない。

しかも、多モード導波路の幅Ｗと多モード導波路の長さＬは（１）式の関係を満たすため、多モード導波路内を伝搬する信号光は、自己結像効果により集光されて全てシングルモードとして出力される。そのため、多モード導波路を用いた場合の飽和出力は、発振光の強度がゼロとなる時の信号光強度（飽和出力密度）と、多モード導波路内を広がって伝搬する信号光の強度（密度）との関係を考慮すれば良いことになり、飽和出力は、飽和出力密度とモード断面積、もしくは導波路幅（より正確には導波路断面積）の積に比例する。入力信号光は多モード導波路内で飽和出力密度に達するまで飽和することなく増幅され、自己結像効果により集光されて出力される。

従って、単に導波路幅を広げることで（飽和出力密度×導波路幅）が増大し、飽和出力を向上させることが可能となる。例えば、導波路幅を２倍にすれば、導波路内での平均の光強度（光子密度）は１／２となる。そこで、導波路幅を広げたことにより、信号光強度が飽和出力密度に達するまでに２倍の余裕が生まれたことになる。逆に、導波路幅が２倍になっているため、信号光強度が飽和出力密度に達したときに出力される全パワーも２倍になる。これは素子の飽和出力が２倍になったことに相当する。
このように、多モード導波路の幅を入力側から順にＷ₁＜Ｗ₂のように出力側ほど広くなるように設定することにより、図１に示した第１実施形態の構成と等しい利得をとりながら、飽和出力パワーがさらに大きくなるという効果が期待される。

なお、上述した実施形態では、多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂの幅Ｗ₁、Ｗ₂が入力側から出力側に向かって段々広くなるように構成する方法について説明したが、本実施携帯では、入力側から出力側に向かって段々広くなるように構成する方法に限定されることなく、例えば、多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂの幅Ｗ₁、Ｗ₂をＷ₁＞Ｗ₂となるように設定してもよい。この場合、多モード導波路１１０３ａで効果的に利得を稼ぎ、飽和出力の小さな多モード導波路１１０３ｂに信号光を注入することが可能となる。この構成は、波長変換などのアプリケーションに適した構造となる。このように、目的に応じて多モード領域の幅の大小関係を任意に決定できることも本構成のメリットの一つである。逆に、多モード領域の幅を変えるだけで様々の動作状態が容易に実現できることが本実施形態の特徴の一つであるといえる。

なお、図９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、光反射膜の位置などは、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９の実施形態では、入力導波路１１０２および出力導波路１１０４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７と同様に、出力導波路１１０４が入力信号光１１１１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、接続導波路１１１３についても入力信号光１１１１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、上述した実施形態では、ｍ＝１の場合について説明したが、各多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂの長さはそれぞれ独立に（１）式を満たせばよく、ｍ＝１に限定されることなく、多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂごとに任意の整数ｍを用いた場合にも本発明の効果が期待できる。さらに、上述した実施形態では、多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂを２段接続する方法について説明したが、２段に限定されることなく、ｎ（ｎは正の整数）段構成なら何段でもよい。

図１０は、本発明の第５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１０において、ｎ−ＩｎＰ基板１３０１上には、多モード導波路１３０３ａに接続され、入力信号光１３１１を入力する入力導波路１３０２、信号光を導波させる複数の多モード導波路１３０３ａ、１３０３ｂ、多モード導波路１３０３ｂに接続され、出力信号光１３１２を出力する出力導波路１３０４が形成されている。ここで、多モード導波路１３０３ａは多モード導波路１３０３ｂに直接接続されている。また、入力導波路１３０２および出力導波路１３０４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１３０３ａ、１３０３ｂ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。そして、入力導波路１３０２および多モード導波路１３０３ａ、１３０３ｂの利得媒質にはそれぞれ独立して電流を注入することができる。

また、入力導波路１３０２、多モード導波路１３０３ａ、１３０３ｂおよび出力導波路１３０４は導波路中心軸が互いに一致するようにｎ−ＩｎＰ基板１３０１上に並べて配置することができる。また、各多モード導波路１３０３ａ、１３０３ｂの幅Ｗ₁、Ｗ₂は複数モードの光がそれぞれ伝搬されるように互いに異なるように設定することができる。また、入力導波路１３０２および出力導波路１３０４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。また、各多モード導波路１３０３ａ、１３０３ｂの長さＬ₁、Ｌ₂は、（１）式の関係を満たすようにそれぞれ設定することができる。

また、入力導波路１３０２側のｎ−ＩｎＰ基板１３０１の端面１３０５には反射防止膜１３０７が形成されるとともに、出力導波路１３０４側のｎ−ＩｎＰ基板１３０１の端面１３０６には反射防止膜１３０８が形成されている。さらに、多モード導波路１３０３ａ、１３０３ｂの両脇には、高反射膜１３０９、１３１０が対向配置されている。
そして、入力導波路１３０２に入射した入力信号光１３１１は、入力導波路１３０２を伝搬して多モード導波路１３０３ａに入射される。ここで、多モード導波路１３０３ａ、１３０３ｂと独立に入力導波路１３０２に電流を注入することにより、電流注入量に応じて入力導波路１３０２の利得を変化させることができ、入力導波路１３０２を伝搬する入力信号光１３１１を所望の強度に増幅することができる。

そして、入力信号光１３１１が多モード導波路１３０３ａに入射すると、多モード導波路１３０３ａ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１３０３ａ内を伝搬する。そして、多モード導波路１３０３ａ内を伝搬した光は、多モード導波路１３０３ｂに入射する。そして、多モード導波路１３０３ｂに入射した信号光は、多モードに展開されながら多モード導波路１３０３ｂを伝搬し、出力導波路１３０４に入射する。そして、出力導波路１３０４に入射した信号光は、出力導波路１３０４を伝搬した後、出力信号光１３１２として端面１３０６から出射される。

なお、（１）式の関係を満たすように、各多モード導波路１３０３ａ、１３０３ｂの長さＬ₁、Ｌ₂をそれぞれ設定することにより、多モード導波路１３０３ａ、１３０３ｂ内を伝搬した信号光を、出力導波路１３０４の基本モードに結合させることができ、多モード導波路１３０３ａ、１３０３ｂと出力導波路１３０４との間の結合損失を低減させることができる。
ここで、入力導波路１３０２および各多モード導波路１３０３ａ、１３０３ｂのコアは利得媒質を含むため、入力導波路１３０２にて利得が調整された入力信号光１３１１は、各多モード導波路１３０３ａ、１３０３ｂを伝搬するに従って増幅され、トータル利得を可変させることを可能としつつ、増幅された出力信号光１３１２を得ることができる。

一方、各多モード導波路１３０３ａ、１３０３ｂ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１３０３ａ、１３０３ｂの両脇の高反射膜１３０９、１３１０にて反射させることにより、入力信号光１３１１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１３１１の導波方向と直交する方向にレーザ発振が起こると、各多モード導波路１３０３ａ、１３０３ｂに入射された信号光強度が変動した場合においても、各多モード導波路１３０３ａ、１３０３ｂ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、多モード導波路１３０３ａ、１３０３ｂの幅Ｗ₁、Ｗ₂が互いに異なるように設定し、多モード導波路１３０３ａ、１３０３ｂを直接接続した場合においても、出力導波路１３０４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１３１１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、多モード導波路１３０３ａ、１３０３ｂの幅Ｗ₁、Ｗ₂が互いに異なるように設定することにより、多モード導波路１３０３ａ、１３０３ｂごとに注入キャリア密度を変化させることが可能となる。このため、利得を稼ぎながら、飽和出力パワーを増大させたり、ＮＦを向上させたりすることができ、光増幅素子の用途に応じて様々な動作状態を実現することができる。

なお、図１０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、光反射膜の位置などは、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１０の実施形態では、入力導波路１３０２および出力導波路１３０４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７と同様に、出力導波路１３０４が入力信号光１３１１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、上述した実施形態では、ｍ＝１の場合について説明したが、各多モード導波路１３０３ａ、１３０３ｂの長さはそれぞれ独立に（１）式を満たせばよく、ｍ＝１に限定されることなく、多モード導波路１３０３ａ、１３０３ｂごとに任意の整数ｍを用いた場合にも本発明の効果が期待できる。さらに、上述した実施形態では、多モード導波路１３０３ａ、１３０３ｂを２段接続する方法について説明したが、２段に限定されることなく、ｎ（ｎは正の整数）段構成なら何段でもよい。

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の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、ｉ番目の多モード導波路の幅Ｗ_i、ｉ番目の多モード導波路の長さＬ_i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__i（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__i×Ｗ_i＝−１０×ｌｏｇ（Ｒ_H）（ｄＢ） ・・・（６）
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、

という条件を満たすことが必要である。ここで、ｎは多モード導波路の個数である。（６）式および（７）式を用いて（７）式のＧ_clampを消去すると、

となる。各構造パラメータの関係が（８）式の関係を満たせば、上述した光増幅素子の動作が期待できる。

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Ｂ−Ｂ´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Ｄ−Ｄ´線で切断した光増幅素子の構成例を示す断面図である。 本発明の光増幅素子の動作原理を示す平面図である。 図４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。 図７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。 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。 本発明の第５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１１（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１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＡ−Ａ´線で切断した断面図である。 図１１の光増幅素子の飽和特性を示す図である。 図１３（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１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＣ−Ｃ´線で切断した断面図である。 図１３の光増幅素子の飽和特性を示す図である。

符号の説明

Ｒ１ 第１領域
Ｒ２ 第２領域
４０１、５０１、６０１、７０１、９０１、１００１、１１０１、１２０１、１３０１ ｎ−ＩｎＰ基板
４０２、６０２、８０２、９０２、１１０２、１３０２ 入力導波路
４０３ａ、４０３、６０３、９０３ａ、９０３ｂ、１１０３ａ、１１０３ｂ、１３０３ａ、１３０３ｂ 多モード導波路
４０４、６０４、８０４、９０４、１１０４、１３０４ 出力導波路
４０５、４０６、６０５、６０６、９０５、９０６、１１０５、１１０６、１３０５、１３０６ 端面
４０７、４０８、６０７、６０８、９０７、９０８、１１０７、１１０８、１３０７、１３０８ 反射防止膜
４０９、４１０、５０９、５１０、６０９、６１０７０９、７１０、９０９、９１０、１１０９、１１１０、１３０９、１３１０ 高反射膜
４１１、６１１、９１１、１１１１、１３１１ 入力信号光
４１２、６１２、９１２、１１１２、１３１２ 出力信号光
５０２、７０２、１００２、１２０２ 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、７０５、１００５、１２０５ ｐ−ＩｎＰクラッド層
５０６、７０６、１００６ａ〜１００６ｃ、１２０６ａ〜１２０６ｃ ｐ−ＧａＩｎＡｓキャップ層
５０７、７０７、１００７ａ〜１００７ｃ、１２０７ａ〜１２０７ｃ ｐ側電極
５０８、７０８、１００８、１２０８ ｎ側電極
７１１ ＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込め層
４１３、９１３、１１１３ 接続導波路
１００２ ＩｎＧａＡｓＰ入力導波路活性層
１００３ａ、１００３ｂ ＩｎＧａＡｓＰ多モード導波路活性層
１００９ ＩｎＧａＡｓＰ接続導波路コア層
１００４ ＩｎＧａＡｓＰ出力導波路コア層

Claims (9)

1. 単一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単一モード導波路と、
   前記単一モード導波路の出射側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の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、
   前記単一モード導波路および前記多モード導波路に独立して電流を注入する第１電流注入手段と、を備え、
   前記単一モード導波路は、注入される電流により信号光の利得を可変に制御し、
   前記多モード導波路は、注入される電流により、入射された光の伝搬方向と交差する方向に発振を起こして利得をクランプし、前記単一モード導波路から出射された信号光を増幅することを特徴とする光増幅素子。
2. 前記多モード導波路は複数の多モード導波路を有していることを特徴とする請求項１記載の光増幅素子。
3. 少なくとも２個の多モード導波路の導波路幅は互いに異なることを特徴とする請求項２記載の光増幅素子。
4. 前記第１電流注入手段は、少なくとも２個の多モード導波路に独立に電流を注入する第２電流注入手段を備えることを特徴とする請求項２または３記載の光増幅素子。
5. 前記単一モード導波路および前記多モード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から４のいずれか１項記載の光増幅素子。
6. 前記単一モード導波路および前記多モード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単一モード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１から５のいずれか１項記載の光増幅素子。
7. 前記多モード導波路のうち、ｉ番目の多モード導波路の長さをＬ_i 、幅をＷ_i 、屈折率をｎ_eqi 、信号光波長をλとすると、
   Ｌ_i ＝ ｍ_i ・ｎ_eqi ・Ｗ_i ² ／λ （ ただし、ｍ_i は正の整数）
   であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の光増幅素子。
8. 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７のいずれか１項記載の光増幅素子。
9. 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８のいずれか１項記載の光増幅素子。

Images