JP4620562B2 - Optical amplification element - Google Patents

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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。   The present invention relates to an optical amplifying element, and is particularly suitable for application to an optical transmission system using wavelength division multiplexing (WDM).

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。
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。 2. Description of the Related Art Conventionally, as an optical transmission system that transmits a plurality of optical signals having different wavelengths, there is an optical transmission system (WDM system) that uses wavelength multiplexing to transmit a plurality of optical signals having different wavelengths by combining them with one optical fiber. .
In this WDM system, a WDM multiplexing / demultiplexing circuit that merges and branches optical signals according to wavelength, a multiplexing / branching circuit that merges and branches light of all wavelengths at once, and an add / drop that extracts or inserts a specific wavelength An optical element such as a multiplexer (Add-drop multiplexer, ADM) is used, and the signal strength is deteriorated due to an intensity loss caused when an optical signal passes through these optical elements.

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は、従来の光増幅素子の構成を示す断面図である。この図７の構成は、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）。なお、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す。 For this reason, in a WDM system, an optical amplifying element that amplifies an optical signal transmitted through an optical fiber as light is indispensable.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional optical amplifying element. The configuration in FIG. 7 shows a structure in the case where an n-InP substrate 101 is used as an example of a conventional optical amplifier (SOA) (Non-Patent Document 1). 7A is a cross-sectional view of a conventional optical amplifying element cut along the optical waveguide direction, and FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 7A. Show.

図７において、利得媒質であるＧａＩｎＡｓＰ活性層１０２がストライプ状にｎ−ＩｎＰ基板１０１上に形成され、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、ＧａＩｎＡｓＰ活性層１０２およびｎ−ＩｎＰ層１０４上には、ｐ−ＩｎＰ層１０５が形成され、さらに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。 In FIG. 7, a GaInAsP active layer 102 that is a gain medium is formed on an n-InP substrate 101 in a stripe shape, and is buried by a p-InP layer 103 and an n-InP layer 104.
A p-InP layer 105 is formed on the GaInAsP active layer 102 and the n-InP layer 104, and a p-GaInAs contact layer 106 is formed on the p-InP layer 105. A p-side electrode 107 is formed on the p-GaInAs contact layer 106, and an n-side electrode 108 is formed on the back surface of the n-InP substrate 101.

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。ＷＤＭシステムでは、光信号として波長多重信号が入射される。入射される波長多重数は、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ため、飽和特性のために利得が変化することが問題となる。 FIG. 8 is a diagram showing the saturation characteristics of the optical amplifying element of FIG.
In FIG. 8, when the input light intensity is small, the gain is almost constant even when the input light intensity increases. However, when the input light intensity exceeds a certain value, the gain decreases rapidly. In the WDM system, a wavelength multiplexed signal is incident as an optical signal. Since the wavelength multiplexing number that is incident varies every time it passes through an add / drop multiplexer or the like, there is a problem that the gain varies due to saturation characteristics.

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。 It is assumed that an optical signal having a wavelength multiplexing number m is incident on the optical amplifying element. In this case, when the incident light intensity of the optical amplifying element is P 1 (dBm) in total for m waves, the gain of the optical amplifying element is G 1 (dBm). Here, it is assumed that an optical signal is added by the add / drop multiplexer and the wavelength multiplexing number is increased to n. In this case, when the incident light intensity of the optical amplifying element is P 2 (dBm) in total for n waves, the gain of the optical amplifying element is G 2 (dB).

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が用いられていた。   As described above, when the optical amplifying element of FIG. 7 is used in a WDM system, the intensity of incident light varies depending on the number of wavelength multiplexing, and thus the gain of the optical signal varies. For this reason, in the conventional optical amplifier, as disclosed in Patent Document 1, in order to prevent the gain of the optical signal from fluctuating due to the number of wavelength multiplexing, the gain is set to a certain value by using the oscillation action. A method of clamping was used.

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ＧａＩｎＡｓＰ活性層２０２がストライプ状に形成され、ＧａＩｎＡｓＰ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。 9A is a cross-sectional view of a conventional optical amplifying element cut along the optical waveguide direction, and FIG. 9B is a cross-sectional view taken along the line CC ′ of FIG. 9A.
In FIG. 9, a GaInAsP active layer 202 that is a gain medium is formed in a stripe shape on an n-InP substrate 201, and the GaInAsP active layer 202 is embedded by a p-InP layer 203 and an n-InP layer 204. .

ここで、ＧａＩｎＡｓＰ活性層２０２の下面には、ＧａＩｎＡｓＰ分離閉じ込め（ＳＣＨ）層２０９が形成されるとともに、ＧａＩｎＡｓＰ活性層２０２の上面には、ＧａＩｎＡｓＰ分離閉じ込め（ＳＣＨ）層２１０が形成され、ＧａＩｎＡｓＰ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、ＧａＩｎＡｓＰ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。   Here, a GaInAsP isolation and confinement (SCH) layer 209 is formed on the lower surface of the GaInAsP active layer 202, and a GaInAsP isolation and confinement (SCH) layer 210 is formed on the upper surface of the GaInAsP active layer 202. A grating is formed on the layer 210. A p-InP layer 205 is formed on the GaInAsP separation confinement layer 210 and the n-InP layer 204, and a p-GaInAs contact layer 206 is formed on the p-InP layer 205. A p-side electrode 207 is formed on the p-GaInAs contact layer 206, and an n-side electrode 208 is formed on the back surface of the n-InP substrate 201.

図９の光増幅素子では、ＧａＩｎＡｓＰ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伝播光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。 In the optical amplifying element of FIG. 9, propagating light is reflected by the grating formed in the GaInAsP separation confinement layer 210, so that positive feedback is applied and oscillation can be performed like a DFB laser. However, the coupling coefficient of the grating is smaller than that of a normal DFB laser, and the oscillation threshold is high.
In the laser oscillation state of the optical amplifying element in FIG. 9, the carrier density in the gain medium is clamped to a constant value. However, since the oscillation threshold is high, the carrier density is clamped to a value higher than that of a normal DFB laser. .

このため、図８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（ＧａＩｎＡｓＰ活性層２０２）のキャリア密度は一定となる。そして、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。 Therefore, in the DFB type optical amplifying element having the grating of FIG. 8, the carrier density of the gain medium (GaInAsP active layer 202) is constant as long as oscillation occurs. Since the gain is proportional to the carrier density of the gain medium, the gain can be clamped to a constant value.
Therefore, in the oscillation state described above, even if the current value injected into the optical amplifying element is increased, the gain of the optical amplifying element can be kept constant only by increasing the light intensity of the oscillation light. When the input signal light intensity increases, the oscillation light intensity decreases and the total light intensity inside the optical amplifying element is kept constant, so that the carrier density of the optical amplifying element may fluctuate. Therefore, the gain of the optical amplifying element can be kept constant.

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、合計の入力光強度が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、外部から入射する入力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、入射する入力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。 FIG. 10 is a diagram illustrating saturation characteristics of the optical amplifying element in FIG.
In FIG. 10, in the optical amplifying element of FIG. 9, even if the input light intensity of signal light incident from the outside fluctuates, the gain is maintained at a constant value Go. That is, even when the wavelength multiplexing number of the signal light is changed from m to n and the total input light intensity is changed from P 1 to P 2 , the gain is a constant value of Go.
Further, in the optical amplifying element of FIG. 9, the gain is lowered only when the intensity of the input light incident from the outside is further increased and the oscillation is suppressed. Conversely, as long as oscillation occurs in the optical amplifying element of FIG. 9, the gain can be kept constant regardless of the input light intensity or the wavelength multiplexing number of the incident signal.

また、特許文献２には、偏光に依存しない利得特性を得るとともに、飽和入力光強度レベルおよび飽和利得特性を向上させるために、マルチモード導波路領域の両端に単一モード導波路領域が結合された半導体光アンプが開示されている。
また、非特許文献２には、外部から入射された信号光の入力光強度が変動しても、利得が一定値に保たれるようにするために、信号光の伝播方向と直交する方向に発振光を励起させるための反射器を設ける方法が開示されている。
特開平７−１０６７１４号公報 特開平１１−６８２４０号公報 Ｋ．Ｍｏｒｉｔｏ他、“Ｈｉｇｈ−Ｏｕｔｐｕｔ−Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−Ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ”Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎｏ．１，ｐ１７６−１８１，２００３のｆｉｇ．５ Ｄ．Ａ．Ｆｒａｎｃｉｓ，Ｓ．Ｐ．ＤｉＪａｉｌｉ，Ｊ．Ｄ．Ｗａｌｋｅｒ，“Ａ ｓｉｎｇｌｅ−ｃｈｉｐ ｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ”，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ２００１（ＯＣＦ２００１），ｐｏｓｔ Patent Document 2 discloses that a single-mode waveguide region is coupled to both ends of a multimode waveguide region in order to obtain gain characteristics independent of polarization and to improve the saturation input light intensity level and saturation gain characteristics. A semiconductor optical amplifier is disclosed.
Further, in Non-Patent Document 2, in order to maintain the gain at a constant value even when the input light intensity of signal light incident from the outside fluctuates, in a direction orthogonal to the propagation direction of the signal light. A method of providing a reflector for exciting oscillating light is disclosed.
JP-A-7-106714 Japanese Patent Laid-Open No. 11-68240 K. Morito et al., “High-Output-Power Polarization-Insertive Semiconductor Optical Amplifier” Journal of Lightwave Technology, No. 1 1, p176-181, 2003 fig. 5 D. A. Francis, S .; P. DiJaili, J.A. D. Walker, “A single-chip linear optical amplifier”, Technical digest of Optical Fiber communications 2001 (OCF2001), post

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。
また、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。 However, when the DFB type optical amplifying element of FIG. 9 is used, the oscillation light is mixed in the same optical path as the signal light, so that there is a problem that a wavelength filter for removing the mixed oscillation light is necessary.
The DFB type optical amplifying element of FIG. 9 has a very strong oscillation light intensity. Therefore, if the incident signal intensity is small, the oscillation light can be emitted with the same intensity as the signal light even when a normal wavelength filter is used. There was a problem of remaining.

さらに、信号光の利得は、ＤＦＢレーザのグレーティングにより決まる発振しきい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決まり、ＤＦＢ型光増幅素子の使用時に信号光の利得を変化させることができないという問題があった。
また、特許文献２に開示された半導体光アンプにおいても、図９のＤＦＢ型光増幅素子と同様の問題があった。 Further, since the gain of the signal light is clamped to the oscillation threshold gain determined by the grating of the DFB laser, it is uniquely determined at the manufacturing stage of the DFB type optical amplifying element. There was a problem that could not be changed.
The semiconductor optical amplifier disclosed in Patent Document 2 also has the same problem as the DFB type optical amplifying element in FIG.

さらに、非特許文献２に開示された方法では、信号光を単一横モードにすると、信号光導波路の幅が狭くなるため、信号光の導波方向と直交する方向での発振が困難になるという問題があった。一方、信号光の波長で決定される一定値よりも信号光導波路の幅を大きくすると、信号光が単一横モードにならず、モード分散や入出力時の光ファイバによる結合によって損失が発生するという問題があった。   Further, in the method disclosed in Non-Patent Document 2, when the signal light is set to the single transverse mode, the width of the signal light waveguide is narrowed, and thus it is difficult to oscillate in the direction perpendicular to the waveguide direction of the signal light. There was a problem. On the other hand, if the width of the signal optical waveguide is made larger than a certain value determined by the wavelength of the signal light, the signal light does not become a single transverse mode, and loss occurs due to mode dispersion and coupling by the optical fiber at the time of input / output There was a problem.

また、非特許文献２に開示された方法であっても、信号光の利得は、信号光導波路の上下に設けられた反射器により決まる発振光の発振しきい値利得にクランプされるため、光増幅素子の製造段階で一意に決まり、光増幅素子の使用時に信号光の利得を変化させることができない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とともに、使用時の信号光の利得を変化させることが可能な光増幅素子を提供することである。 Even in the method disclosed in Non-Patent Document 2, the gain of signal light is clamped to the oscillation threshold gain of oscillation light determined by reflectors provided above and below the signal optical waveguide. There is a problem that it is uniquely determined in the manufacturing stage of the amplifying element, and the gain of the signal light cannot be changed when the optical amplifying element is used.
Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical amplifying element capable of suppressing gain fluctuation due to input light intensity and changing the gain of signal light during use without mixing oscillation light in the waveguide direction of signal light Is to provide.

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単一モード導波路からなる入力導波路および出力導波路と、前記入力導波路と前記出力導波路との間に光学的に結合するように配置され、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から延伸された利得媒質に形成され、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光を反射させる回折格子とを備え、前記入力導波路および前記出力導波路ならびに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、前記回折格子は前記多モード導波路の両脇のみに対向配置されるとともに、前記多モード導波路の幅および長さは自己結合効果を起こすように設定されていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, according to the optical amplifying element according to claim 1, an input waveguide and an output waveguide composed of a single mode waveguide for guiding single mode light, and the input waveguide And a multimode waveguide disposed so as to be optically coupled between the optical waveguide and the output waveguide and configured to guide light of a plurality of modes and to include a gain medium at least partially. A diffraction grating formed in a gain medium extended from a mode waveguide and reflecting light in a direction crossing the propagation direction of the light incident on the multimode waveguide, the input waveguide and the output waveguide And the multimode waveguides are arranged side by side on the same substrate so that the central axes of the waveguides coincide with each other, and the diffraction gratings are arranged opposite to both sides of the multimode waveguide, and the multimode waveguides Width and length are characterized that they are being set to undergo self-coupling effect.

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、回折格子にも利得を持たせることが可能となり、多モード導波路でのキャリア密度を変化させることができる。このため、多モード導波路を伝播する信号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、多モード導波路でのクランプ時の利得を変化させることができる。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、使用時の信号光の利得を変化させることができる。
また、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、多モード導波路にて増幅された信号光に発振光が混入することを防止することができる。 As a result, it is possible to generate oscillation light that is guided in a direction different from the waveguide direction of the signal light by the multimode waveguide, and to clamp the gain of the signal light by the oscillation action in the multimode waveguide. In addition, the diffraction grating can be gained and the carrier density in the multimode waveguide can be changed. Therefore, it is possible to amplify the input signal light in the gain medium whose gain is clamped by oscillation while preventing the oscillation light from being mixed into the signal light propagating through the multimode waveguide. The gain at the time of clamping in the mode waveguide can be changed. As a result, it is possible to eliminate the need for a wavelength filter or an optical waveguide for separating signal light and oscillation light, and it is possible to suppress gain variation due to input light intensity while suppressing increase in element size. The gain of signal light during use can be changed.
In addition, the single mode waveguide and the multimode waveguide can be coupled with low loss, and oscillation can be caused in a direction orthogonal to the propagation direction of the signal light. For this reason, it is possible to suppress the gain fluctuation due to the input light intensity while suppressing the increase in the element size, and to prevent the oscillation light from being mixed into the signal light amplified by the multimode waveguide. it can.

また、請求項２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単一モード導波路からなる入力導波路および出力導波路と、前記入力導波路と前記出力導波路との間に光学的に結合するように配置され、複数モードの光を導波させるとともに、少なくとも一部に第１の利得媒質を含むように構成された多モード導波路と、前記第１の利得媒質と分離された第２の利得媒質に形成され、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光を反射させる回折格子とを備え、前記入力導波路および前記出力導波路ならびに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、前記回折格子は前記多モード導波路の両脇のみに対向配置されるとともに、前記多モード導波路の幅および長さは自己結合効果を起こすように設定されていることを特徴とする。 Further, according to the optical amplifier according to claim 2, and input and output waveguides comprising a single mode waveguide for guiding light of a single mode, and the input waveguide and the output waveguide A multi-mode waveguide disposed so as to be optically coupled between the plurality of modes and guiding a plurality of modes of light and including at least a part of the first gain medium; and the first gain medium. And a diffraction grating that is formed in a second gain medium separated from each other and reflects light in a direction crossing a propagation direction of light incident on the multimode waveguide, and the input waveguide and the output waveguide And the multimode waveguides are arranged side by side on the same substrate so that the central axes of the waveguides coincide with each other, and the diffraction gratings are arranged opposite to both sides of the multimode waveguide, and the multimode waveguides Width and length It characterized that you have been set to undergo self-coupling effect.

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、回折格子にも利得を持たせることが可能となり、多モード導波路でのキャリア密度を変化させることができる。このため、多モード導波路を伝播する信号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、多モード導波路でのクランプ時の利得を変化させることができる。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、使用時の信号光の利得を変化させることができる。   As a result, it is possible to generate oscillation light that is guided in a direction different from the waveguide direction of the signal light by the multimode waveguide, and to clamp the gain of the signal light by the oscillation action in the multimode waveguide. In addition, the diffraction grating can be gained and the carrier density in the multimode waveguide can be changed. Therefore, it is possible to amplify the input signal light in the gain medium whose gain is clamped by oscillation while preventing the oscillation light from being mixed into the signal light propagating through the multimode waveguide. The gain at the time of clamping in the mode waveguide can be changed. As a result, it is possible to eliminate the need for a wavelength filter or an optical waveguide for separating signal light and oscillation light, and it is possible to suppress gain variation due to input light intensity while suppressing increase in element size. The gain of signal light during use can be changed.

また、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、多モード導波路にて増幅された信号光に発振光が混入することを防止することができる。 In addition, the single mode waveguide and the multimode waveguide can be coupled with low loss, and oscillation can be caused in a direction orthogonal to the propagation direction of the signal light. For this reason, it is possible to suppress the gain fluctuation due to the input light intensity while suppressing the increase in the element size, and to prevent the oscillation light from being mixed into the signal light amplified by the multimode waveguide. it can.

また、請求項３記載の光増幅素子によれば、前記多モード導波路に電流を注入する第１電極と、前記多モード導波路と独立して前記回折格子に電流を注入する第２電極とをさらに備えることを特徴とする。
これにより、多モード導波路への電流注入と回折格子への電流注入とをそれぞれ別個に制御することが可能となる。このため、多モード導波路を伝播する信号光の利得制御を精度よく行うことを可能としつつ、使用時の信号光の利得を変化させることが可能となる。 According to the optical amplifying element of claim 3, the first electrode for injecting current into the multimode waveguide, and the second electrode for injecting current into the diffraction grating independently of the multimode waveguide; Is further provided.
Thereby, current injection into the multimode waveguide and current injection into the diffraction grating can be controlled separately. For this reason, it becomes possible to change the gain of the signal light at the time of use, making it possible to control the gain of the signal light propagating through the multimode waveguide with high accuracy.

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と前記回折格子の少なくとも一部とを分離する電流ブロック層または分離溝をさらに備えることを特徴とする。
これにより、多モード導波路への電流注入と回折格子への電流注入とをそれぞれ精度よく制御することが可能となる。このため、多モード導波路および回折格子のキャリア密度の制御を精度よく行うことが可能となり、信号光の利得制御を精度よく行うことが可能となるとともに、信号光の利得を精密に変化させることが可能となる。 Further, according to the optical amplifier according to claim 4, characterized by further comprising the multimode waveguide and current blocking layer or separation groove separating at least a portion of the diffraction grating.
Thereby, current injection into the multimode waveguide and current injection into the diffraction grating can be accurately controlled. This makes it possible to accurately control the carrier density of the multimode waveguide and the diffraction grating, to accurately control the gain of the signal light, and to precisely change the gain of the signal light. Is possible.

また、請求項５記載の光増幅素子によれば、前記回折格子の結合係数が１００ｃｍ−１以上であることを特徴とする。
これにより、回折格子の反射率を高めることが可能となり、光導波路の幅が狭い場合においても、信号光の導波方向と直交する方向で発振を起こさせることが可能となる。 The optical amplification element according to claim 5 is characterized in that a coupling coefficient of the diffraction grating is 100 cm −1 or more.
This makes it possible to increase the reflectance of the diffraction grating, even when the width of the optical waveguide is narrow, that Do is possible to cause an oscillation in the direction perpendicular to the waveguide direction of the signal light.

以上説明したように、本発明によれば、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しつつ、回折格子に利得を持たせることが可能となり、多モード導波路でのクランプ時の利得を変化させることができる。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とともに、使用時の信号光の利得を変化させることができる。   As described above, according to the present invention, the gain of the signal light can be clamped by the oscillation action in the multimode waveguide, and the gain can be given to the diffraction grating. The gain at the time of clamping can be changed. For this reason, a wavelength filter or an optical waveguide for separating the signal light and the oscillation light can be eliminated, and it is possible to suppress the gain fluctuation due to the input light intensity while suppressing the increase in the element size. The gain of signal light during use can be changed.

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（ａ）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、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＢ１−Ｂ１´線で切断した構成を示す断面図、図１（ｃ）は、図１（ａ）のＣ１−Ｃ１´線で切断した構成を示す断面図である。
図１（ａ）において、ｎ−ＩｎＰ基板２上には、入力信号光を入力する入力導波路Ｎ１、入力信号光を導波させる多モード導波路Ｎ２、出力信号光を出力する出力導波路Ｎ３が形成されている。 Hereinafter, an optical amplifying element according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1A is a plan view showing a schematic configuration of the optical amplifying element according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a configuration cut along line B1-B1 ′ in FIG. FIG. 1C is a cross-sectional view showing a configuration cut along line C1-C1 ′ of FIG.
In FIG. 1A, on an n-InP substrate 2, an input waveguide N1 that inputs input signal light, a multimode waveguide N2 that guides input signal light, and an output waveguide N3 that outputs output signal light. Is formed.

ここで、入力導波路Ｎ１および出力導波路Ｎ３は、ＩｎＧａＡｓＰをコアとした利得媒質からなる単一モード導波路から構成することができ、多モード導波路Ｎ２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Ｎ１、多モード導波路Ｎ２および出力導波路Ｎ３は導波路中心軸が互いに一致するようにｎ−ＩｎＰ基板２上に並べて配置することができる。また、多モード導波路Ｎ２の長さＬは、多モード導波路Ｎ２の幅をＷ、多モード導波路Ｎ２の縦方向（基板垂直方向）の等価屈折率をｎeq、入力信号光の波長をλとすると、
Ｌ＝ｎeq・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Ｎ２の長さＬをＬMMIとする。ここで、多モード導波路Ｎ２の長さＬMMIは、多モード導波路Ｎ２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。 Here, the input waveguide N1 and the output waveguide N3 can be composed of a single mode waveguide made of a gain medium having InGaAsP as a core, and the multimode waveguide N2 is made of a gain medium having InGaAsP as a core. The multimode waveguide can be configured as follows. In addition, the input waveguide N1, the multimode waveguide N2, and the output waveguide N3 can be arranged side by side on the n-InP substrate 2 so that the waveguide center axes coincide with each other. The length L of the multimode waveguide N2 is such that the width of the multimode waveguide N2 is W, the equivalent refractive index in the longitudinal direction (substrate vertical direction) of the multimode waveguide N2 is n eq , and the wavelength of the input signal light is If λ,
L = n eq · W 2 / λ (1)
It can be set to satisfy the relationship. In the following description, the length L of the multimode waveguide N2 that satisfies the relationship of the expression (1) is L MMI . Here, the length L MMI of the multimode waveguide N2 indicates the length until light is first condensed in a spot shape in the multimode waveguide N2.

また、入力導波路Ｎ１側のｎ−ＩｎＰ基板２の端面には反射防止膜１０ａが形成されるとともに、出力導波路Ｎ３側のｎ−ＩｎＰ基板２の端面には反射防止膜１０ｂが形成されている。さらに、多モード導波路Ｎ２の両脇には、多モード導波路Ｎ２に入射された光の伝搬方向と交差する方向に光を反射させる回折格子Ｒ１、Ｒ２が対向配置されている。ここで、回折格子Ｒ１、Ｒ２は多モード導波路Ｎ２から延伸された利得媒質に形成することができる。   An antireflection film 10a is formed on the end surface of the n-InP substrate 2 on the input waveguide N1 side, and an antireflection film 10b is formed on the end surface of the n-InP substrate 2 on the output waveguide N3 side. Yes. Further, on both sides of the multimode waveguide N2, diffraction gratings R1 and R2 that reflect light in a direction intersecting with the propagation direction of the light incident on the multimode waveguide N2 are disposed to face each other. Here, the diffraction gratings R1 and R2 can be formed in a gain medium extended from the multimode waveguide N2.

そして、入力導波路Ｎ１に入射した入力信号光は、入力導波路Ｎ１を伝搬して多モード導波路Ｎ２に入射される。そして、入力信号光が多モード導波路Ｎ２に入射すると、入力信号光は多モード導波路Ｎ２における固有モードに展開される。すなわち、入力導波路Ｎ１の基本伝搬モードと多モード導波路Ｎ２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Ｎ２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Ｎ２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Ｎ２内を伝搬する。   The input signal light incident on the input waveguide N1 propagates through the input waveguide N1 and enters the multimode waveguide N2. When the input signal light enters the multimode waveguide N2, the input signal light is developed into the eigenmode in the multimode waveguide N2. That is, the plurality of propagation modes in the multimode waveguide N2 are excited with a power distribution proportional to the overlap integral of the fundamental propagation mode of the input waveguide N1 and the plurality of propagation modes of the multimode waveguide N2. Each mode excited in the multimode waveguide N2 propagates in the multimode waveguide N2 under a phase condition determined by the respective propagation constant.

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Ｎ２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。また、この現象は、多モード干渉（Ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ：ＭＭＩ）としても知られている。   When the light propagates for a certain distance, the phases of the light of each mode are intensified with each other in the multimode waveguide N2, and may be condensed on one or a plurality of spots. This phenomenon is known as a self-imaging effect. This phenomenon is also known as multi-mode interference (MMI).

ここで、（１）式の関係を満たすように、多モード導波路Ｎ２の長さＬMMIを設定することにより、多モード導波路Ｎ２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Ｎ２内を長さＬMMIだけ伝搬した信号光は出力導波路Ｎ３に入射し、出力導波路Ｎ３を伝搬した後、出力信号光として端面から出射される。
これにより、多モード導波路Ｎ２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Ｎ２内を伝搬した信号光を出力導波路Ｎ３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Ｎ２内で励振させた場合においても、多モード導波路Ｎ２と出力導波路Ｎ３との間の結合損失を低減させることができる。 Here, by setting the length L MMI of the multimode waveguide N2 so as to satisfy the relationship of the expression (1), the signal light propagating in the multimode waveguide N2 is condensed into one spot. Can do. Then, the signal light propagated by the length L MMI in the multimode waveguide N2 enters the output waveguide N3, propagates through the output waveguide N3, and is then emitted from the end face as output signal light.
As a result, a self-imaging effect can be caused in the multimode waveguide N2, and the signal light propagated in the multimode waveguide N2 can be coupled to the fundamental mode of the output waveguide N3. For this reason, even when a plurality of propagation modes are excited in the multimode waveguide N2, the coupling loss between the multimode waveguide N2 and the output waveguide N3 can be reduced.

例えば、多モード導波路Ｎ２の幅Ｗ＝２０μｍ、多モード導波路Ｎ２の等価屈折率ｎeq＝３．２４、入力信号光の波長λ＝１．５５μｍとすると、多モード導波路Ｎ２の長さＬMMI＝８３６μｍに設定することができる。
また、入力導波路Ｎ１、多モード導波路Ｎ２および出力導波路Ｎ３のコアは利得媒質を含むため、入力信号光は、入力導波路Ｎ１、多モード導波路Ｎ２および出力導波路Ｎ３を伝搬するに従って増幅され、増幅された出力信号光を得ることができる。 For example, when the width W of the multimode waveguide N2 is 20 μm, the equivalent refractive index n eq of the multimode waveguide N2 is 3.24, and the wavelength λ of the input signal light is 1.55 μm, the length of the multimode waveguide N2 L MMI can be set to 836 μm.
Since the cores of the input waveguide N1, the multimode waveguide N2, and the output waveguide N3 include a gain medium, the input signal light propagates through the input waveguide N1, the multimode waveguide N2, and the output waveguide N3. Amplified and amplified output signal light can be obtained.

一方、多モード導波路Ｎ２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Ｎ２の両脇の回折格子Ｒ１、Ｒ２にて反射させることにより、入力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。そして、入力信号光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Ｎ２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Ｎ２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。   On the other hand, the spontaneous emission light generated in the multimode waveguide N2 is emitted in all directions and reflected by the diffraction gratings R1 and R2 on both sides of the multimode waveguide N2, thereby guiding the input signal light in the waveguide direction. Laser oscillation can be caused in a direction orthogonal to When laser oscillation occurs in a direction orthogonal to the waveguide direction of the input signal light, the carrier density of the multimode waveguide N2 is kept constant even when the intensity of the signal light incident on the multimode waveguide N2 varies. The gain of the optical amplifying element can be clamped to a constant value.

このため、出力導波路Ｎ３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。
さらに、多モード導波路Ｎ２から延伸された利得媒質に回折格子Ｒ１、Ｒ２を形成することにより、回折格子Ｒ１、Ｒ２にも利得を持たせることが可能となる。このため、多モード導波路でのクランプ時の利得を変化させることができ、入力光強度による利得変動を抑えつつ、使用時の信号光の利得を変化させることができる。 For this reason, it is possible to amplify the input signal light in the gain medium whose gain is clamped by oscillation while preventing the oscillation light from being mixed into the amplified light emitted from the output waveguide N3. As a result, it is possible to eliminate the need for a wavelength filter or an optical waveguide for separating the signal light and the oscillation light, and it is possible to suppress a gain variation due to the input light intensity while suppressing an increase in element size.
Further, by forming the diffraction gratings R1 and R2 in the gain medium extended from the multimode waveguide N2, it is possible to give the diffraction gratings R1 and R2 gain. Therefore, the gain at the time of clamping in the multimode waveguide can be changed, and the gain of the signal light at the time of use can be changed while suppressing the gain fluctuation due to the input light intensity.

また、図１（ｂ）において、図１（ａ）の入力導波路Ｎ１および出力導波路Ｎ３では、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３がストライプ状にｎ−ＩｎＰ基板２上に形成されている。なお、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３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、入力導波路Ｎ１および出力導波路Ｎ３のＩｎＧａＡｓＰ活性層３の幅は、例えば、０．８μｍに設定することができる。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３の両側は、ｎ−ＩｎＰ基板２上に順次積層されたｐ−ＩｎＰ電流ブロック層４およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５にて埋め込まれている。ここで、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層４およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５にてＩｎＧａＡｓＰ活性層３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。   Further, in FIG. 1B, in the input waveguide N1 and the output waveguide N3 in FIG. 1A, the InGaAsP active layer 3 is formed on the n-InP substrate 2 in a stripe shape. The width of the InGaAsP active layer 3 can be set so that single-mode light is propagated, and the width of the InGaAsP active layer 3 in the input waveguide N1 and the output waveguide N3 is, for example, 0.8 μm. Can be set to Both sides of the InGaAsP active layer 3 are buried with a p-InP current blocking layer 4 and an n-InP current blocking layer 5 sequentially stacked on the n-InP substrate 2. Here, by embedding both sides of the InGaAsP active layer 3 with the p-InP current blocking layer 4 and the n-InP current blocking layer 5, a buried heterostructure can be formed.

そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層６が形成されている。ここで、ｎ−ＩｎＰ基板２とｐ−ＩｎＰクラッド層６との間にＩｎＧａＡｓＰ活性層３を形成することにより、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３をコアとした利得媒質からなる入力導波路Ｎ１および出力導波路Ｎ３を構成することができる。
そして、ｐ−ＩｎＰクラッド層６上には、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３に対応して配置されたｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７が形成されている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７上には、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７に接続するための開口部が形成された絶縁膜８を介してｐ側電極９が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板２の裏面にはｎ側電極１が形成されている。 A p-InP clad layer 6 is formed on the InGaAsP active layer 3 and the n-InP current blocking layer 5. Here, by forming an InGaAsP active layer 3 between the n-InP substrate 2 and the p-InP clad layer 6, an input waveguide N1 and an output waveguide N3 made of a gain medium having the InGaAsP active layer 3 as a core. Can be configured.
A p-GaInAs contact layer 7 disposed corresponding to the InGaAsP active layer 3 is formed on the p-InP cladding layer 6. A p-side electrode 9 is formed on the p-GaInAs contact layer 7 via an insulating film 8 in which an opening for connecting to the p-GaInAs contact layer 7 is formed. An n-side electrode 1 is formed on the substrate.

なお、図１（ｂ）の構成例では、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層４およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５としては、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とを交互に積み重ねて構成する方法について説明したが、例えば、ＦｅやＲｕがドーピングされた半絶縁性ＩｎＰであってもよく、Ａｌを含む組成の酸化により電流ブロック層を形成するようにしてもよい。
また、図１（ｃ）において、図１（ａ）の多モード導波路Ｎ２では、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３がストライプ状にｎ−ＩｎＰ基板２上に形成されている。なお、多モード導波路Ｎ２のＩｎＧａＡｓＰ活性層３の幅は、複数の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Ｎ２のＩｎＧａＡｓＰ活性層３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３は回折格子Ｒ１、Ｒ２に延伸され、回折格子Ｒ１、Ｒ２のＩｎＧａＡｓＰ活性層３には、入力信号光の伝搬方向に沿うように埋め込まれたＩｎＰ埋め込み層３ａが所定間隔で形成されている。ここで、回折格子Ｒ１、Ｒ２は、反射を起すための複素屈折率の周期的な摂動があればよい。 In the configuration example of FIG. 1B, the p-InP current blocking layer 4 and the n-InP current blocking layer 5 are described as a method in which p-type semiconductor layers and n-type semiconductor layers are alternately stacked. However, for example, it may be a semi-insulating InP doped with Fe or Ru, and the current blocking layer may be formed by oxidation of a composition containing Al.
1C, in the multimode waveguide N2 in FIG. 1A, the InGaAsP active layer 3 is formed on the n-InP substrate 2 in a stripe shape. The width of the InGaAsP active layer 3 in the multimode waveguide N2 can be set so that light of a plurality of modes can be propagated. The width of the InGaAsP active layer 3 in the multimode waveguide N2 is, for example, 20 μm. Can be set to The InGaAsP active layer 3 is extended to the diffraction gratings R1 and R2, and the InGaAsP active layer 3 of the diffraction gratings R1 and R2 has InP buried layers 3a buried along the propagation direction of the input signal light at predetermined intervals. Is formed. Here, the diffraction gratings R1 and R2 only need to have a periodic perturbation of the complex refractive index for causing reflection.

なお、回折格子Ｒ１、Ｒ２の形成方法としては、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３に周期的に形成された溝にＩｎＰを埋め込む方法の他、例えば、組成の異なるＩｎＧａＡｓＰやＡｌを含む組成を埋め込むようにしてもよい。
また、回折格子Ｒ１、Ｒ２の形成方法としては、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３自体を直接加工するようにしてもよいが、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３上部の分離へテロ構造のみを加工してもよい。また、回折格子Ｒ１、Ｒ２を形成するために、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３や分離へテロ構造とは別の層を設けるようにしてもよい。また、回折格子Ｒ１、Ｒ２は、屈折率結合だけでなく、利得結合や両者を含む複素結合を用いて構成するようにしてもよい。 As a method of forming the diffraction gratings R1 and R2, in addition to a method of embedding InP in a groove periodically formed in the InGaAsP active layer 3, for example, a composition containing InGaAsP or Al having a different composition may be embedded. Good.
In addition, as a method of forming the diffraction gratings R1 and R2, the InGaAsP active layer 3 itself may be directly processed, but only the isolated heterostructure above the InGaAsP active layer 3 may be processed. Further, in order to form the diffraction gratings R1 and R2, a layer different from the InGaAsP active layer 3 and the separation heterostructure may be provided. The diffraction gratings R1 and R2 may be configured using not only refractive index coupling but also gain coupling or complex coupling including both.

そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層６が形成されている。ここで、ｎ−ＩｎＰ基板２とｐ−ＩｎＰクラッド層６との間にＩｎＧａＡｓＰ活性層３を形成することにより、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３をコアとした利得媒質からなる多モード導波路Ｎ２を構成することができる。
そして、ｐ−ＩｎＰクラッド層６上には、多モード導波路Ｎ２および回折格子Ｒ１、Ｒ２に対応して分割されたｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７が形成されている。また、多モード導波路Ｎ２および回折格子Ｒ１、Ｒ２に対応して分割されたｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７上には、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７に接続するための開口部が形成された絶縁膜８を介してｐ側電極９ａ、９ｃ、９ｂがそれぞれ形成され、ｎ−ＩｎＰ基板２の裏面にはｎ側電極１が形成されている。 A p-InP cladding layer 6 is formed on the InGaAsP active layer 3. Here, by forming the InGaAsP active layer 3 between the n-InP substrate 2 and the p-InP clad layer 6, the multimode waveguide N2 made of a gain medium having the InGaAsP active layer 3 as a core is formed. Can do.
On the p-InP clad layer 6, a p-GaInAs contact layer 7 divided corresponding to the multimode waveguide N2 and the diffraction gratings R1 and R2 is formed. Further, an insulating film 8 having an opening for connecting to the p-GaInAs contact layer 7 is formed on the p-GaInAs contact layer 7 divided corresponding to the multimode waveguide N2 and the diffraction gratings R1 and R2. The p-side electrodes 9a, 9c, and 9b are formed through the n-type electrode, and the n-side electrode 1 is formed on the back surface of the n-InP substrate 2.

なお、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層４、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５、ｐ−ＩｎＰクラッド層６およびｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７をｎ−ＩｎＰ基板２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。   In the case where the InGaAsP active layer 3, the p-InP current blocking layer 4, the n-InP current blocking layer 5, the p-InP cladding layer 6 and the p-GaInAs contact layer 7 are formed on the n-InP substrate 2, for example, Epitaxial growth such as MBE (Molecular Beam Epitaxy), MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), or ALCVD (Atomic Layer Chemical Vapor Deposition) can be used.

また、図１（ｃ）の構成例では、多モード導波路Ｎ２および回折格子Ｒ１、Ｒ２に対応してｐ側電極９ａ、９ｃ、９ｂをそれぞれ独立して形成する方法について示したが、多モード導波路Ｎ２および回折格子Ｒ１、Ｒ２の電極は共通であってもよい。また、回折格子Ｒ１、Ｒ２の電極は共通とし、多モード導波路Ｎ２の電極を独立させるようにしてもよい。   In the configuration example of FIG. 1C, the method of forming the p-side electrodes 9a, 9c, and 9b independently of the multimode waveguide N2 and the diffraction gratings R1 and R2 has been described. The electrodes of the waveguide N2 and the diffraction gratings R1 and R2 may be common. Further, the electrodes of the diffraction gratings R1 and R2 may be made common, and the electrodes of the multimode waveguide N2 may be made independent.

そして、ｐ側電極９ａに電圧を印加することにより、多モード導波路Ｎ２のＩｎＧａＡｓＰ活性層３に電流を注入することができる。また、ｐ側電極９ｂ、９ｃに電圧を印加することにより、回折格子Ｒ１、Ｒ２のＩｎＧａＡｓＰ活性層３に電流を注入することができる。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３に電流が注入されると、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３にて発光させることができる。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３にて生成された光は、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３の両側の回折格子Ｒ１、Ｒ２にて反射され、図１の入力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。   Then, a current can be injected into the InGaAsP active layer 3 of the multimode waveguide N2 by applying a voltage to the p-side electrode 9a. In addition, current can be injected into the InGaAsP active layer 3 of the diffraction gratings R1 and R2 by applying a voltage to the p-side electrodes 9b and 9c. When a current is injected into the InGaAsP active layer 3, the InGaAsP active layer 3 can emit light. The light generated in the InGaAsP active layer 3 is reflected by the diffraction gratings R1 and R2 on both sides of the InGaAsP active layer 3 and causes laser oscillation in a direction perpendicular to the waveguide direction of the input signal light in FIG. Can be made.

例えば、回折格子Ｒ１、Ｒ２の反射率ＲHが０．９、すなわち９０％であったとする。また、回折格子Ｒ１、Ｒ２に注入される電流を調整し、回折格子Ｒ１、Ｒ２では利得も損失もない状態であるとする。この場合、デシベル表示に直すと、１０×ｌｏｇ（ＲH）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Ｎ２では自然放出光が四方八方に放出され、多モード導波路Ｎ２の幅方向に進行または導波する光が回折格子Ｒ１、Ｒ２にて反射される。 For example, it is assumed that the reflectance RH of the diffraction gratings R1 and R2 is 0.9, that is, 90%. Further, it is assumed that the current injected into the diffraction gratings R1 and R2 is adjusted, and the diffraction gratings R1 and R2 are in a state where there is no gain or loss. In this case, when converted to the decibel display, it becomes 10 × log (R H ), which corresponds to a reflection loss of 0.46 dB. Then, spontaneous emission light is emitted in all directions in the multimode waveguide N2, and light traveling or guided in the width direction of the multimode waveguide N2 is reflected by the diffraction gratings R1 and R2.

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Ｎ２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、回折格子Ｒ１、Ｒ２とＩｎＧａＡｓＰ活性層３とからなるレーザキャビティが多モード導波路Ｎ２の幅方向に形成され、多モード導波路Ｎ２の幅方向にレーザ発振を起こさせることができる。   Here, since the reflection loss is 0.46 dB, if there is a gain of 0.46 dB while this reflected light propagates by the distance W in the width direction of the multimode waveguide N2, the reflection loss and the gain are balanced. As a result, a laser cavity composed of the diffraction gratings R1 and R2 and the InGaAsP active layer 3 is formed in the width direction of the multimode waveguide N2, and laser oscillation can be caused in the width direction of the multimode waveguide N2.

例えば、多モード導波路Ｎ２の幅Ｗ＝２０μｍとすると、多モード導波路Ｎ２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Ｎ２内にレーザ発振が起こると、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３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３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。   For example, assuming that the width W of the multimode waveguide N2 is 20 μm, laser oscillation can be caused if the gain of the multimode waveguide N2 is 0.46 dB / 20 μm. When laser oscillation occurs in the multimode waveguide N2, the carrier density of the InGaAsP active layer 3 can be kept constant even when the intensity of the signal light incident on the InGaAsP active layer 3 fluctuates. The gain of the element can be clamped to a constant value.

一方、多モード導波路Ｎ２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Ｎ２の長さＬMMI＝８３６μｍであり、多モード導波路Ｎ２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Ｎ２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。 On the other hand, when considering the gain of the signal light propagating in the axial direction through the multimode waveguide N2, the length L MMI of the multimode waveguide N2 is 836 μm, and the gain of the multimode waveguide N2 is 0.46 dB / 20 μm. It is clamped. For this reason, the gain of the signal light when propagating through the multimode waveguide N2 is
836 μm × (0.46 dB / 20 μm) = 19 dB (2)
It is clamped with.

そして、多モード導波路Ｎ２の利得がクランプされると、これ以上多モード導波路Ｎ２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、入射側端面および出射側端面には反射防止膜１０ａ、１０ｂがそれぞれ設けられているため、残留反射率ＲAR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Ｎ２の利得が１９ｄＢだけあったとしても、入力信号光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。 When the gain of the multimode waveguide N2 is clamped, even if a current is injected into the multimode waveguide N2, the current is consumed to increase the power of the oscillation light, and the gain of the signal light is increased. There is no contribution. On the other hand, since the antireflection films 10a and 10b are respectively provided on the incident side end face and the emission side end face, the residual reflectance R AR is suppressed to 0.1% or less (−30 dB or less). For this reason, even if the gain of the multimode waveguide N2 is only 19 dB, oscillation does not occur in the propagation direction of the input signal light, and a traveling wave type optical amplification operation is performed.

なお、上述した説明では、回折格子Ｒ１、Ｒ２の反射率ＲHが０．９であるとしたが、信号光の伝搬方向での発振が起こらないような範囲で、回折格子Ｒ１、Ｒ２の反射率ＲHを低下させるようにしてもよい。これにより、多モード導波路Ｎ２でのクランプに必要な利得が上昇し、キャリア密度が増加するため、信号光の利得を上昇させることができる。
一方、回折格子Ｒ１、Ｒ２に注入される電流を増加させ、回折格子Ｒ１、Ｒ２にも利得を持たせるようにしてもよい。これにより、多モード導波路Ｎ２でのクランプに必要な利得が低下し、キャリア密度が減少するため、信号光の利得を減少させることができる。すなわち、素子構造に寄らずに、動作条件を変化させるだけで、利得のクランプ値を変化させることができ、使用時の信号光の利得を変化させることができる。 In the above description, the reflectance R H of the diffraction gratings R1 and R2 is 0.9. However, the reflection of the diffraction gratings R1 and R2 is within a range in which no oscillation occurs in the signal light propagation direction. The rate RH may be decreased. As a result, the gain necessary for clamping in the multimode waveguide N2 increases and the carrier density increases, so that the gain of the signal light can be increased.
On the other hand, the current injected into the diffraction gratings R1 and R2 may be increased so that the diffraction gratings R1 and R2 also have gain. As a result, the gain necessary for clamping in the multimode waveguide N2 is reduced and the carrier density is reduced, so that the gain of the signal light can be reduced. That is, the gain clamp value can be changed and the gain of the signal light in use can be changed simply by changing the operating condition without depending on the element structure.

また、多モード導波路Ｎ２および回折格子Ｒ１、Ｒ２に対応してｐ側電極９ａ、９ｃ、９ｂをそれぞれ独立して形成することにより、多モード導波路Ｎ２への電流注入と回折格子Ｒ１、Ｒ２への電流注入とをそれぞれ別個に制御することが可能となる。このため、発振時の多モード導波路のキャリア密度を変化させることが可能となり、多モード導波路を伝播する信号光の利得制御を精度よく行うことを可能としつつ、使用時の信号光の利得を変化させることが可能となる。例えば、回折格子Ｒ１、Ｒ２に注入される電流を減少させることにより、回折格子Ｒ１、Ｒ２の利得が低下し、それを補うために多モード導波路Ｎ２でのクランプに必要な利得が上昇することから、多モード導波路Ｎ２のキャリア密度が上昇し、信号光の利得を増加させることができる。   Further, by forming p-side electrodes 9a, 9c, 9b independently of the multimode waveguide N2 and the diffraction gratings R1, R2, current injection into the multimode waveguide N2 and the diffraction gratings R1, R2 are performed. It is possible to control the current injection into each separately. For this reason, it becomes possible to change the carrier density of the multimode waveguide during oscillation, and it is possible to accurately control the gain of the signal light propagating through the multimode waveguide, while at the same time gaining the signal light during use. Can be changed. For example, by reducing the current injected into the diffraction gratings R1 and R2, the gains of the diffraction gratings R1 and R2 are reduced, and the gain necessary for clamping in the multimode waveguide N2 is increased to compensate for the decrease. Thus, the carrier density of the multimode waveguide N2 is increased, and the gain of the signal light can be increased.

図２は、図１の光増幅素子の飽和特性を示す図である。
図２において、多モード導波路Ｎ２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Ｎ２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Ｇlateralに達し、多モード導波路Ｎ２の幅方向で発振が生じる。この時、しきい値利得Ｇlateralは、
Ｇlateral＝−１０×ｌｏｇ（ＲH）（ｄＢ） ・・・（３）
で与えられる。 FIG. 2 is a diagram showing saturation characteristics of the optical amplifying element of FIG.
In FIG. 2, when current is injected into the multimode waveguide N2, initially the gain increases as the current increases. When the current reaches I 1 , the gain when propagating by the distance W in the width direction of the multimode waveguide N2 reaches the threshold gain G lateral and oscillation occurs in the width direction of the multimode waveguide N2. At this time, the threshold gain G lateral is
G lateral = −10 × log (R H ) (dB) (3)
Given in.

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Ｎ２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Ｎ２の利得をＧ0にクランプさせることができる。この時、多モード導波路Ｎ２での信号光の利得Ｇ0は、
Ｇ0＝Ｇlatera×ＬMMI／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（ＲH）×ｎeq×Ｗ／λ ・・・（５）
となる。 Even when the current is further increased and the current reaches I 2 (> I 1 ), the carrier density is clamped to a constant value and the gain does not increase because oscillation has already occurred in the multimode waveguide N2. That is, in a normal optical amplifying element, even if the current exceeds I 1 , the gain increases monotonously with the increase in current, whereas in the present embodiment, the gain of the multimode waveguide N2 is set to G 0 . Can be clamped. At this time, the gain G 0 of the signal light in the multimode waveguide N2 is
G 0 = G latera × L MMI / W (4)
Given in. Here, the gain G 0 of the signal light is obtained by using the equations (1) and (3):
G 0 = −10 × log (R H ) × n eq × W / λ (5)
It becomes.

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Ｎ２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２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。 In an operating state where the current is I 1 or more, that is, in a state where the gain is clamped at G 0 because oscillation occurs in the width direction of the multimode waveguide N2, the intensity of the input signal light in FIG. Even when it becomes large, the total light intensity of the oscillation light and the signal light inside the optical amplifying element is kept constant only by the decrease of the intensity of the oscillation light. For this reason, there is no variation in the carrier density of the gain medium in the optical amplifying element, and the gain of the optical amplifying element is kept constant as shown in FIG. As a result, even when the wavelength multiplexing number of the input signal light is changed, the gain fluctuation can be suppressed and the wavelength multiplexing optical transmission system can be stably operated.

また、上述した実施形態では、多モード導波路Ｎ２の幅方向に形成された回折格子Ｒ１、Ｒ２とＩｎＧａＡｓＰ活性層３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Ｎ１および出力導波路Ｎ３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。   In the above-described embodiment, since laser oscillation occurs in the laser cavity formed by the diffraction gratings R1 and R2 formed in the width direction of the multimode waveguide N2 and the InGaAsP active layer 3, the propagation direction of the oscillation light and the signal light Can be orthogonal to the propagation direction. For this reason, it is possible to prevent the oscillation light from being mixed into the input waveguide N1 and the output waveguide N3, and the oscillation light and the signal light can be spatially separated. For this reason, a wavelength filter or an optical waveguide for separating the signal light and the oscillation light can be dispensed with, and the gain fluctuation due to the input light intensity can be suppressed while suppressing an increase in the element size.

また、多モード導波路Ｎ２は、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３をコアとして、信号光に対しては幅Ｗ、長さＬMMIの多モード導波路として、発振光対しては幅ＬMMI、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。 Further, the multimode waveguide N2 is a multimode waveguide having the InGaAsP active layer 3 as a core and having a width W and a length L MMI for signal light, and having a width L MMI and a length W for oscillation light. Since each acts as a multimode waveguide, both the oscillation light and the signal light can be propagated in the horizontal direction (in-plane direction of the substrate). For this reason, the manufacturing process of a normal semiconductor laser and a semiconductor optical amplifier can be used as it is, and it becomes possible to suppress complication of the manufacturing process of the optical amplifying element and to ensure high reliability. .

さらに、発振光の伝搬方向となるＩｎＧａＡｓＰ活性層３の幅方向には、多モード導波路Ｎ２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、単一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、回折格子Ｒ１、Ｒ２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、回折格子Ｒ１、Ｒ２の反射率に対する要求を緩和させて、回折格子Ｒ１、Ｒ２の作製を容易化することができる。   Furthermore, a sufficient space for forming the multimode waveguide N2 can be secured in the width direction of the InGaAsP active layer 3 that is the propagation direction of the oscillation light. For this reason, a larger distance can be propagated than in the case where the oscillation light propagates in the width direction or thickness direction of the single mode waveguide, and a large gain can be obtained. For this reason, oscillation can be caused even if the reflectivities of the diffraction gratings R1 and R2 are low to some extent, and the requirements for the reflectivities of the diffraction gratings R1 and R2 are relaxed, and the fabrication of the diffraction gratings R1 and R2 is facilitated. be able to.

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３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、ＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰなど他の半導体材料を用いるようにしてもよい。   The configuration of the waveguide including the gain medium is not particularly limited, and may be applied to all layer structures used in ordinary optical amplifying elements. That is, the shape of the InGaAsP active layer 3 may be MQW (multiple quantum well), quantum wire, quantum dot, etc. in addition to bulk, and a separate confinement heterostructure (SCH) or the A gradient refractive index confinement structure (GRIN-SCH) in which the refractive index is gradually changed may be used. For example, an InGaAsP separation confinement layer or a light guide layer having a band gap wavelength between the gain medium and the InP clad may be provided above or below the gain medium. Further, the material is not limited to the combination of InP and InGaAsP, and other semiconductor materials such as GaAs, AlGaAs, GaInAs, GaInNAs, AlGaAsP, GaInP, AlInAs, AlInP, AlGaP, AlGaInAs, and AlGaInP may be used. Good.

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、作製プロセスの容易化の観点から、信号光の伝搬経路に沿って、入力導波路Ｎ１から多モード導波路Ｎ２を経て出力導波路Ｎ３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Ｎ２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。 As for the waveguide structure, a pn buried structure, a ridge structure, a semi-insulating buried structure, and a high mesa structure may be used. Further, the substrate is not limited to the n-type substrate, and a p-type substrate or a semi-insulating substrate may be used.
Further, in the above-described embodiment, from the viewpoint of facilitating the manufacturing process, the gain medium is used for everything from the input waveguide N1 through the multimode waveguide N2 to the output waveguide N3 along the signal light propagation path. However, a gain medium may be provided at least in a part of the core or cladding of the multimode waveguide N2.

また、上述した実施形態では、作製プロセスの容易化の観点から、同一のＩｎＧａＡｓＰ活性層３を用いることにより、多モード導波路Ｎ２および回折格子Ｒ１、Ｒ２を形成する方法について説明したが、特に制約を設けるものではない。例えば、信号光の伝搬方向と直交する方向に発振を容易に起こさせたり、信号光の導波路でのクランプ利得を調整するために、回折格子Ｒ１、Ｒ２の少なくとも一部に利得を持たせるようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、単一モード導波路からなる入力導波路Ｎ１および出力導波路Ｎ３をそれぞれ１導波路ずつ設ける方法について説明したが、多モード入力および多モード出力の場合に適用するようにしてもよい。 In the above-described embodiment, the method of forming the multimode waveguide N2 and the diffraction gratings R1 and R2 by using the same InGaAsP active layer 3 has been described from the viewpoint of facilitating the manufacturing process. It does not provide. For example, in order to easily cause oscillation in a direction orthogonal to the propagation direction of the signal light, or to adjust a clamp gain in the waveguide of the signal light, at least a part of the diffraction gratings R1 and R2 is given a gain. It may be.
In the above-described embodiment, the method of providing one input waveguide N1 and one output waveguide N3 each consisting of a single mode waveguide has been described. However, the present invention is applicable to the case of multimode input and multimode output. It may be.

また、上述した実施形態では、信号光の導波方向と直交する方向の利得を稼ぐために、単一モード導波路からなる入力導波路Ｎ１と出力導波路Ｎ３との間に多モード導波路Ｎ２を接続する方法について説明したが、信号光を導波させるための導波路を単一モード導波路のみで構成するとともに、単一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光を反射させる回折格子を設け、その回折格子に利得を持たせるようにしてもよい。これにより、単一モード導波路の幅が狭い場合においても、単一モード導波路の幅方向に発振を起こさせることが可能となり、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とともに、信号光導波路を単純な直線導波路から構成することができ、作製誤差に起因するばらつきや損失の増大を抑制することができる。   In the above-described embodiment, in order to increase the gain in the direction orthogonal to the waveguide direction of the signal light, the multimode waveguide N2 is provided between the input waveguide N1 made of a single mode waveguide and the output waveguide N3. Although the waveguide for guiding the signal light is configured with only the single mode waveguide, the light is transmitted in the direction crossing the propagation direction of the light incident on the single mode waveguide. It is also possible to provide a diffraction grating that reflects the light and to give the diffraction grating a gain. As a result, even when the width of the single mode waveguide is narrow, it is possible to cause oscillation in the width direction of the single mode waveguide, and the input signal light can be transmitted within the gain medium whose gain is clamped by the oscillation. It can be amplified. As a result, it is possible to eliminate the need for a wavelength filter or an optical waveguide for separating signal light and oscillation light, and it is possible to suppress gain variation due to input light intensity while suppressing increase in element size. The signal optical waveguide can be constituted by a simple straight waveguide, and an increase in variation and loss due to manufacturing errors can be suppressed.

図３は、図１の光増幅素子の規格化結合係数に対する反射率の関係を示す図である。なお、図３では、回折格子が無損失と仮定した場合、規格化結合係数に対して最も反射率が高くなるブラッグ波長の反射率Ｒを示す。ただし、規格化結合係数は、結合係数κと回折格子長Ｌの積を表す。
図３において、回折格子の規格化結合係数が１．０程度であれば、５８％程度の反射率Ｒを得ることができる。また、回折格子の規格化結合係数が１．５程度であれば、８０％以上の反射率Ｒを得ることができる。さらに、９０％以上の反射率Ｒが必要な場合は、回折格子の規格化結合係数を１．８程度とすればよい。また、反射率Ｒを９９％以上とする場合には、回折格子の規格化結合係数を３以上とする必要がある。 FIG. 3 is a diagram showing the relationship of the reflectance with respect to the normalized coupling coefficient of the optical amplifying element of FIG. Note that FIG. 3 shows the Bragg wavelength reflectivity R at which the reflectivity is highest with respect to the normalized coupling coefficient, assuming that the diffraction grating is lossless. However, the normalized coupling coefficient represents the product of the coupling coefficient κ and the diffraction grating length L.
In FIG. 3, when the normalized coupling coefficient of the diffraction grating is about 1.0, a reflectance R of about 58% can be obtained. Further, if the normalized coupling coefficient of the diffraction grating is about 1.5, a reflectance R of 80% or more can be obtained. Furthermore, when a reflectance R of 90% or more is required, the normalized coupling coefficient of the diffraction grating may be set to about 1.8. When the reflectance R is 99% or more, the normalized coupling coefficient of the diffraction grating needs to be 3 or more.

一方、図１の構成では、共振方向は信号光の導波方向と直交する方向であるため、最大でもデバイスの信号光の伝播方向に対してデバイスの横幅のほぼ半分を回折格子長とすることができる。また、図２の計算結果は無損失を前提としているが、実際のデバイスでは損失があるため、計算結果よりも反射率が低下する。従って、回折格子長が長くなると、デバイスの横幅が大きくなるため、回折格子長は短い方が好ましい。例えば、回折格子長を１５０μｍとして、反射率Ｒを８０％以上としたい場合、すなわち、規格化結合係数を１．５程度とすると、１００ｃｍ-1以上の結合係数が必要となる。また、回折格子長を１５０μｍとして、反射率Ｒを９９％以上としたい場合、すなわち、規格化結合係数を３とすると、２００ｃｍ-1の結合係数が必要となる。 On the other hand, in the configuration of FIG. 1, the resonance direction is a direction orthogonal to the waveguide direction of the signal light. Can do. The calculation result in FIG. 2 is based on the assumption that there is no loss. However, since there is a loss in an actual device, the reflectance is lower than the calculation result. Therefore, the longer the diffraction grating length, the larger the lateral width of the device, so the shorter the diffraction grating length, the better. For example, when the diffraction grating length is 150 μm and the reflectance R is 80% or more, that is, when the normalized coupling coefficient is about 1.5, a coupling coefficient of 100 cm −1 or more is required. Further, when it is desired to set the diffraction grating length to 150 μm and reflectivity R to 99% or more, that is, when the normalized coupling coefficient is 3, a coupling coefficient of 200 cm −1 is required.

このため、デバイスの横幅を３００μｍ程度とすることができ、従来の半導体光増幅素子や半導体レーザなどと同程度のサイズで図１の光増幅素子を構成することができ、１ウェハから取り出せる光増幅素子の個数を確保することができる。また、特殊な形状が必要となるわけでもないので、従来の半導体光増幅素子の部材をそのまま用いることができる。   Therefore, the lateral width of the device can be set to about 300 μm, and the optical amplifying element of FIG. 1 can be configured with the same size as a conventional semiconductor optical amplifying element or a semiconductor laser. The number of elements can be ensured. Further, since a special shape is not required, a conventional semiconductor optical amplifier element can be used as it is.

図４（ａ）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平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ２−Ｂ２´線で切断した構成を示す断面図、図４（ｃ）は、図４（ａ）のＣ２−Ｃ２´線で切断した構成を示す断面図である。
図４（ａ）において、ｎ−ＩｎＰ基板２２上には、入力信号光を入力する入力導波路Ｎ１１、入力信号光を導波させる多モード導波路Ｎ１２、出力信号光を出力する出力導波路Ｎ１３が形成されている。 4A is a plan view showing a schematic configuration of the optical amplifying element according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a configuration cut along line B2-B2 ′ in FIG. 4A. FIG. 4C is a cross-sectional view showing a configuration cut along the line C2-C2 ′ of FIG.
4A, on an n-InP substrate 22, an input waveguide N11 that inputs input signal light, a multimode waveguide N12 that guides input signal light, and an output waveguide N13 that outputs output signal light. Is formed.

ここで、入力導波路Ｎ１１および出力導波路Ｎ１３は、ＩｎＧａＡｓＰをコアとした利得媒質からなる単一モード導波路から構成することができ、多モード導波路Ｎ１２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Ｎ１１側のｎ−ＩｎＰ基板２２の端面には反射防止膜３０ａが形成されるとともに、出力導波路Ｎ１３側のｎ−ＩｎＰ基板２２の端面には反射防止膜３０ｂが形成されている。さらに、多モード導波路Ｎ１２の両脇には、多モード導波路Ｎ１２に入射された光の伝搬方向と交差する方向に光を反射させる回折格子Ｒ１１、Ｒ１２が対向配置されている。ここで、回折格子Ｒ１１、Ｒ１２は多モード導波路Ｎ１２と同一層上に配置された利得媒質に形成することができ、回折格子Ｒ１１、Ｒ１２に形成された利得媒質と多モード導波路Ｎ１２に形成された利得媒質とは互いに分離することができる。   Here, the input waveguide N11 and the output waveguide N13 can be composed of a single mode waveguide made of a gain medium having InGaAsP as a core, and the multimode waveguide N12 is made of a gain medium having InGaAsP as a core. The multimode waveguide can be configured as follows. An antireflection film 30a is formed on the end surface of the n-InP substrate 22 on the input waveguide N11 side, and an antireflection film 30b is formed on the end surface of the n-InP substrate 22 on the output waveguide N13 side. Yes. Further, on both sides of the multimode waveguide N12, diffraction gratings R11 and R12 that reflect light in a direction intersecting with the propagation direction of the light incident on the multimode waveguide N12 are disposed opposite to each other. Here, the diffraction gratings R11 and R12 can be formed in a gain medium disposed on the same layer as the multimode waveguide N12, and are formed in the gain medium formed in the diffraction gratings R11 and R12 and the multimode waveguide N12. The gain mediums can be separated from each other.

また、図４（ｂ）において、図４（ａ）の入力導波路Ｎ１１および出力導波路Ｎ１３では、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２３がストライプ状にｎ−ＩｎＰ基板２２上に形成されている。なお、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２３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。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２３の両側は、ｎ−ＩｎＰ基板２２上に順次積層されたｐ−ＩｎＰ電流ブロック層２４およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層２５にて埋め込まれている。ここで、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層２４およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層２５にてＩｎＧａＡｓＰ活性層２３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。   4B, in the input waveguide N11 and the output waveguide N13 in FIG. 4A, the InGaAsP active layer 23 is formed on the n-InP substrate 22 in a stripe shape. The width of the InGaAsP active layer 23 can be set so that single mode light is propagated. Both sides of the InGaAsP active layer 23 are buried with a p-InP current blocking layer 24 and an n-InP current blocking layer 25 that are sequentially stacked on the n-InP substrate 22. Here, by embedding both sides of the InGaAsP active layer 23 with the p-InP current blocking layer 24 and the n-InP current blocking layer 25, a buried heterostructure can be formed.

そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２３およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層２５上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層２６が形成されている。ここで、ｎ−ＩｎＰ基板２２とｐ−ＩｎＰクラッド層２６との間にＩｎＧａＡｓＰ活性層２３を形成することにより、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２３をコアとした利得媒質からなる入力導波路Ｎ１１および出力導波路Ｎ１３を構成することができる。   A p-InP clad layer 26 is formed on the InGaAsP active layer 23 and the n-InP current blocking layer 25. Here, by forming an InGaAsP active layer 23 between the n-InP substrate 22 and the p-InP clad layer 26, an input waveguide N11 and an output waveguide N13 made of a gain medium having the InGaAsP active layer 23 as a core. Can be configured.

そして、ｐ−ＩｎＰクラッド層２６上には、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２３に対応して配置されたｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２７が形成されている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２７上には、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２７に接続するための開口部が形成された絶縁膜２８を介してｐ側電極２９が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板２２の裏面にはｎ側電極２１が形成されている。   A p-GaInAs contact layer 27 is formed on the p-InP cladding layer 26 so as to correspond to the InGaAsP active layer 23. A p-side electrode 29 is formed on the p-GaInAs contact layer 27 via an insulating film 28 having an opening for connection to the p-GaInAs contact layer 27, and the back surface of the n-InP substrate 22. An n-side electrode 21 is formed on the substrate.

また、図４（ｃ）において、図４（ａ）の多モード導波路Ｎ１２では、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２３がストライプ状にｎ−ＩｎＰ基板２２上に形成されている。なお、多モード導波路Ｎ１２のＩｎＧａＡｓＰ活性層２３の幅は、複数の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２３は回折格子Ｒ１１、Ｒ１２に延伸され、回折格子Ｒ１１、Ｒ１２のＩｎＧａＡｓＰ活性層２３には、入力信号光の伝搬方向に沿うように埋め込まれたＩｎＰ埋め込み層２３ａが所定間隔で形成されている。さらに、入力導波路Ｎ１１および出力導波路Ｎ１３のＩｎＧａＡｓＰ活性層２３の両側に順次埋め込まれたｐ−ＩｎＰ電流ブロック層２４およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層２５は、回折格子Ｒ１１、Ｒ１２と多モード導波路Ｎ１２との間のＩｎＧａＡｓＰ活性層２３を分断するように延伸されている。   4C, in the multimode waveguide N12 of FIG. 4A, the InGaAsP active layer 23 is formed on the n-InP substrate 22 in a stripe shape. The width of the InGaAsP active layer 23 of the multimode waveguide N12 can be set so that light of a plurality of modes is propagated. The InGaAsP active layer 23 is extended to the diffraction gratings R11 and R12, and the InGaAsP active layer 23 of the diffraction gratings R11 and R12 has an InP buried layer 23a buried along the propagation direction of the input signal light at a predetermined interval. Is formed. Further, the p-InP current blocking layer 24 and the n-InP current blocking layer 25 sequentially embedded on both sides of the InGaAsP active layer 23 of the input waveguide N11 and the output waveguide N13 include the diffraction gratings R11 and R12, and the multimode waveguide. The InGaAsP active layer 23 between N12 is extended so as to be divided.

そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２３およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層２５上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層２６が形成されている。ここで、ｎ−ＩｎＰ基板２２とｐ−ＩｎＰクラッド層２６との間にＩｎＧａＡｓＰ活性層２３を形成することにより、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２３をコアとした利得媒質からなる多モード導波路Ｎ１２を構成することができる。
そして、ｐ−ＩｎＰクラッド層２６上には、多モード導波路Ｎ１２および回折格子Ｒ１１、Ｒ１２に対応して分割されたｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２７が形成されている。また、多モード導波路Ｎ１２および回折格子Ｒ１１、Ｒ１２に対応して分割されたｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２７上には、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２７に接続するための開口部が形成された絶縁膜２８を介してｐ側電極２９ａ、２９ｃ、２９ｂがそれぞれ形成され、ｎ−ＩｎＰ基板２２の裏面にはｎ側電極２１が形成されている。 A p-InP clad layer 26 is formed on the InGaAsP active layer 23 and the n-InP current blocking layer 25. Here, by forming an InGaAsP active layer 23 between the n-InP substrate 22 and the p-InP cladding layer 26, a multimode waveguide N12 made of a gain medium having the InGaAsP active layer 23 as a core is formed. Can do.
On the p-InP cladding layer 26, a p-GaInAs contact layer 27 divided corresponding to the multimode waveguide N12 and the diffraction gratings R11 and R12 is formed. Further, an insulating film 28 in which an opening for connecting to the p-GaInAs contact layer 27 is formed on the p-GaInAs contact layer 27 divided corresponding to the multimode waveguide N12 and the diffraction gratings R11 and R12. The p-side electrodes 29 a, 29 c, and 29 b are respectively formed via the n-type electrodes, and the n-side electrode 21 is formed on the back surface of the n-InP substrate 22.

これにより、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可能となり、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。また、回折格子Ｒ１１、Ｒ１２に利得を持たせつつ、回折格子Ｒ１１、Ｒ１２と多モード導波路Ｎ１２との間でＩｎＧａＡｓＰ活性層２３を分割することが可能となり、多モード導波路Ｎ１２への電流注入と回折格子Ｒ１１、Ｒ１２への電流注入とをそれぞれ精度よく制御することが可能となる。このため、多モード導波路Ｎ１２および回折格子Ｒ１１、Ｒ１２のキャリア密度の制御を精度よく行うことが可能となり、信号光の利得制御を精度よく行うことが可能となるとともに、信号光の利得を精密に変化させることが可能となる。さらに、多モード導波路Ｎ１２の境界での屈折率差を明確化することが可能となり、多モード導波路Ｎ１２の特性を向上させることができる。   This makes it possible to cause laser oscillation in a direction orthogonal to the waveguide direction of the signal light, and to amplify the input signal light in a gain medium whose gain is clamped by the oscillation. For this reason, a wavelength filter or an optical waveguide for separating the signal light and the oscillation light can be dispensed with, and the gain fluctuation due to the input light intensity can be suppressed while suppressing an increase in the element size. In addition, the InGaAsP active layer 23 can be divided between the diffraction gratings R11 and R12 and the multimode waveguide N12 while gaining the diffraction gratings R11 and R12, and current injection into the multimode waveguide N12 is possible. And current injection into the diffraction gratings R11 and R12 can be accurately controlled. For this reason, it is possible to accurately control the carrier density of the multimode waveguide N12 and the diffraction gratings R11 and R12, it is possible to accurately control the gain of the signal light, and to accurately control the gain of the signal light. It becomes possible to change to. Furthermore, it becomes possible to clarify the refractive index difference at the boundary of the multimode waveguide N12, and the characteristics of the multimode waveguide N12 can be improved.

さらに、入力導波路Ｎ１１および出力導波路Ｎ１３のＩｎＧａＡｓＰ活性層２３の両側に順次埋め込まれたｐ−ＩｎＰ電流ブロック層２４およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層２５を、回折格子Ｒ１１、Ｒ１２と多モード導波路Ｎ１２との間のＩｎＧａＡｓＰ活性層２３に延伸することにより、入力導波路Ｎ１１、出力導波路Ｎ１３および多モード導波路Ｎ１２のｐ−ＩｎＰ電流ブロック層２４およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層２５を一括形成することが可能となり、製造プロセスの煩雑化を抑制することができる。   Further, the p-InP current blocking layer 24 and the n-InP current blocking layer 25 sequentially embedded on both sides of the InGaAsP active layer 23 of the input waveguide N11 and the output waveguide N13 are replaced with diffraction gratings R11 and R12 and a multimode waveguide. The p-InP current blocking layer 24 and the n-InP current blocking layer 25 of the input waveguide N11, the output waveguide N13, and the multimode waveguide N12 are collectively formed by extending to the InGaAsP active layer 23 between the N12 and N12. This makes it possible to suppress complication of the manufacturing process.

図５（ａ）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、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＢ３−Ｂ３´線で切断した構成を示す断面図、図５（ｃ）は、図５（ａ）のＣ３−Ｃ３´線で切断した構成を示す断面図である。
図５（ａ）において、ｎ−ＩｎＰ基板４２上には、入力信号光を入力する入力導波路Ｎ２１、入力信号光を導波させる多モード導波路Ｎ２２、出力信号光を出力する出力導波路Ｎ２３が形成されている。 FIG. 5A is a plan view showing a schematic configuration of the optical amplifying element according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 5B is a configuration cut along the line B3-B3 ′ in FIG. FIG. 5C is a cross-sectional view showing a configuration cut along the line C3-C3 ′ of FIG.
5A, on an n-InP substrate 42, an input waveguide N21 that inputs input signal light, a multimode waveguide N22 that guides input signal light, and an output waveguide N23 that outputs output signal light. Is formed.

ここで、入力導波路Ｎ２１および出力導波路Ｎ２３は、ＩｎＧａＡｓＰをコアとした利得媒質からなる単一モード導波路から構成することができ、多モード導波路Ｎ２２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Ｎ２１側のｎ−ＩｎＰ基板４２の端面には反射防止膜５０ａが形成されるとともに、出力導波路Ｎ２３側のｎ−ＩｎＰ基板４２の端面には反射防止膜５０ｂが形成されている。さらに、多モード導波路Ｎ２２の両脇には、多モード導波路Ｎ２２に入射された光の伝搬方向と交差する方向に光を反射させる回折格子Ｒ２１、Ｒ２２が対向配置されている。ここで、回折格子Ｒ２１、Ｒ２２は多モード導波路Ｎ２２から延伸された利得媒質に形成することができる。   Here, the input waveguide N21 and the output waveguide N23 can be composed of a single mode waveguide made of a gain medium having InGaAsP as a core, and the multimode waveguide N22 is made of a gain medium having InGaAsP as a core. The multimode waveguide can be configured as follows. Further, an antireflection film 50a is formed on the end surface of the n-InP substrate 42 on the input waveguide N21 side, and an antireflection film 50b is formed on the end surface of the n-InP substrate 42 on the output waveguide N23 side. Yes. Further, on both sides of the multimode waveguide N22, diffraction gratings R21 and R22 that reflect light in a direction crossing the propagation direction of the light incident on the multimode waveguide N22 are disposed to face each other. Here, the diffraction gratings R21 and R22 can be formed in a gain medium extended from the multimode waveguide N22.

また、図５（ｂ）において、図５（ａ）の入力導波路Ｎ２１および出力導波路Ｎ２３では、ＩｎＧａＡｓＰ活性層４３がストライプ状にｎ−ＩｎＰ基板４２上に形成されている。なお、ＩｎＧａＡｓＰ活性層４３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。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層４３上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層４６が形成されている。そして、ｐ−ＩｎＰクラッド層４６は、入力導波路Ｎ２１および出力導波路Ｎ２３の両側がＩｎＧａＡｓＰ活性層４３の上部までエッチング除去され、リッジ構造が形成されている。ここで、ｐ−ＩｎＰクラッド層４６のエッチング除去されずに残る部分（リッジ部）とエッチング除去された部分とでは等価屈折率に差が生じ、リッジ部の等価屈折率が大きくなるために、ＩｎＧａＡｓＰ活性層４３をコアとした利得媒質からなる入力導波路Ｎ２１および出力導波路Ｎ２３を構成することができる。   5B, in the input waveguide N21 and the output waveguide N23 in FIG. 5A, the InGaAsP active layer 43 is formed on the n-InP substrate 42 in a stripe shape. The width of the InGaAsP active layer 43 can be set so that single mode light is propagated. A p-InP cladding layer 46 is formed on the InGaAsP active layer 43. The p-InP cladding layer 46 is etched away on both sides of the input waveguide N21 and the output waveguide N23 to the top of the InGaAsP active layer 43 to form a ridge structure. Here, there is a difference in the equivalent refractive index between the portion of the p-InP cladding layer 46 that remains without being etched away (ridge portion) and the portion that has been etched away, and the equivalent refractive index of the ridge portion increases. An input waveguide N21 and an output waveguide N23 made of a gain medium having the active layer 43 as a core can be configured.

そして、ｐ−ＩｎＰクラッド層４６のエッチング除去された部分には絶縁膜４８が埋め込まれるとともに、ｐ−ＩｎＰクラッド層４６のエッチング除去されずに残る部分上には、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層４７が形成されている。なお、絶縁膜４８としては、例えば、ポリイミドやＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）などを用いることができる。そして、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層４７上には、絶縁膜４８上にまたがるようにしてｐ側電極４９が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板４２の裏面にはｎ側電極４１が形成されている。   An insulating film 48 is embedded in the etched portion of the p-InP cladding layer 46, and a p-GaInAs contact layer 47 is formed on the remaining portion of the p-InP cladding layer 46 that is not etched away. Has been. As the insulating film 48, for example, polyimide, BCB (benzocyclobutene), or the like can be used. A p-side electrode 49 is formed on the p-GaInAs contact layer 47 so as to straddle the insulating film 48, and an n-side electrode 41 is formed on the back surface of the n-InP substrate 42.

また、図５（ｃ）において、図５（ａ）の多モード導波路Ｎ２２では、ＩｎＧａＡｓＰ活性層４３がストライプ状にｎ−ＩｎＰ基板４２上に形成されている。なお、多モード導波路Ｎ２２のＩｎＧａＡｓＰ活性層４３の幅は、複数の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４３は回折格子Ｒ２１、Ｒ２２に延伸され、回折格子Ｒ２１、Ｒ２２のＩｎＧａＡｓＰ活性層４３には、入力信号光の伝搬方向に沿うように埋め込まれたＩｎＰ埋め込み層４３ａが所定間隔で形成されている。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層４３上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層４６が形成されている。   5C, in the multimode waveguide N22 of FIG. 5A, the InGaAsP active layer 43 is formed on the n-InP substrate 42 in a stripe shape. The width of the InGaAsP active layer 43 in the multimode waveguide N22 can be set so that light of a plurality of modes is propagated. The InGaAsP active layer 43 is extended to the diffraction gratings R21 and R22, and the InGaAsP active layer 43 of the diffraction gratings R21 and R22 has InP buried layers 43a embedded along the propagation direction of the input signal light at predetermined intervals. Is formed. A p-InP cladding layer 46 is formed on the InGaAsP active layer 43.

そして、ｐ−ＩｎＰクラッド層４６は、回折格子Ｒ２１、Ｒ２２と多モード導波路Ｎ２２との間がＩｎＧａＡｓＰ活性層４３の上部までエッチング除去され、リッジ構造が形成されている。ここで、ｐ−ＩｎＰクラッド層４６のエッチング除去されずに残る部分（リッジ部）とエッチング除去された部分とでは等価屈折率に差が生じ、リッジ部の等価屈折率が大きくなるために、ＩｎＧａＡｓＰ活性層４３をコアとした利得媒質からなる多モード導波路Ｎ２２を構成することができる。   The p-InP cladding layer 46 is etched away between the diffraction gratings R21 and R22 and the multimode waveguide N22 up to the top of the InGaAsP active layer 43, thereby forming a ridge structure. Here, there is a difference in the equivalent refractive index between the portion (ridge portion) that remains without being removed by etching of the p-InP cladding layer 46 and the portion that is removed by etching, and the equivalent refractive index of the ridge portion increases, so that the InGaAsP A multimode waveguide N22 made of a gain medium having the active layer 43 as a core can be configured.

そして、ｐ−ＩｎＰクラッド層４６のエッチング除去された部分には絶縁膜４８が埋め込まれるとともに、ｐ−ＩｎＰクラッド層４６のエッチング除去されずに残る部分上には、多モード導波路Ｎ２２および回折格子Ｒ２１、Ｒ２２に対応して分割されたｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層４７が形成されている。また、多モード導波路Ｎ２２および回折格子Ｒ２１、Ｒ２２に対応して分割されたｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層４７上にはｐ側電極４９ａ、４９ｃ、４９ｂがそれぞれ形成され、ｎ−ＩｎＰ基板４２の裏面にはｎ側電極４１が形成されている。   An insulating film 48 is embedded in the etched portion of the p-InP cladding layer 46, and the multimode waveguide N22 and the diffraction grating are formed on the remaining portion of the p-InP cladding layer 46 that is not etched away. A p-GaInAs contact layer 47 divided corresponding to R21 and R22 is formed. In addition, p-side electrodes 49a, 49c, 49b are formed on the p-GaInAs contact layer 47 divided corresponding to the multimode waveguide N22 and the diffraction gratings R21, R22, respectively, on the back surface of the n-InP substrate 42. An n-side electrode 41 is formed.

これにより、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可能となり、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。また、回折格子Ｒ２１、Ｒ２２に利得を持たせることが可能となるとともに、信号光と直交する方向での回折格子Ｒ２１、Ｒ２２による共振器における損失を抑制しつつ、ｐ側電極４９ａ、４９ｃ、４９ｂを介して注入された電流を多モード導波路Ｎ２２および回折格子Ｒ２１、Ｒ２２にそれぞれ対応したＩｎＧａＡｓＰ活性層４３に効率よく導くことが可能となる。このため、多モード導波路Ｎ２２および回折格子Ｒ２１、Ｒ２２のキャリア密度の制御を精度よく行うことが可能となり、信号光の利得制御を精度よく行うことが可能となるとともに、信号光の利得を精密に変化させることが可能となる。   This makes it possible to cause laser oscillation in a direction orthogonal to the waveguide direction of the signal light, and to amplify the input signal light in a gain medium whose gain is clamped by the oscillation. For this reason, a wavelength filter or an optical waveguide for separating the signal light and the oscillation light can be dispensed with, and the gain fluctuation due to the input light intensity can be suppressed while suppressing an increase in the element size. Further, the diffraction gratings R21 and R22 can be given gain, and the p-side electrodes 49a, 49c, and 49b are suppressed while suppressing loss in the resonator caused by the diffraction gratings R21 and R22 in the direction orthogonal to the signal light. It is possible to efficiently guide the current injected via the InGaAsP active layer 43 corresponding to the multimode waveguide N22 and the diffraction gratings R21 and R22, respectively. For this reason, it is possible to accurately control the carrier density of the multimode waveguide N22 and the diffraction gratings R21 and R22, it is possible to accurately control the gain of the signal light, and to accurately control the gain of the signal light. It becomes possible to change to.

図６（ａ）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、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＢ４−Ｂ４´線で切断した構成を示す断面図、図６（ｃ）は、図６（ａ）のＣ６−Ｃ６´線で切断した構成を示す断面図、図６（ｄ）は、図６（ａ）のＣ６−Ｃ６´線で切断したその他の構成を示す断面図である。
図６（ａ）において、ｎ−ＩｎＰ基板６２上には、入力信号光を入力する入力導波路Ｎ３１、入力信号光を導波させる多モード導波路Ｎ３２、出力信号光を出力する出力導波路Ｎ３３が形成されている。 FIG. 6A is a plan view showing a schematic configuration of the optical amplifying element according to the fourth embodiment of the present invention, and FIG. 6B is a configuration cut along line B4-B4 ′ in FIG. 6A. 6C is a cross-sectional view showing a configuration cut along the line C6-C6 ′ in FIG. 6A, and FIG. 6D is a cross-sectional view taken along the line C6-C6 ′ in FIG. It is sectional drawing which shows the other structure cut | disconnected.
6A, on an n-InP substrate 62, an input waveguide N31 that inputs input signal light, a multimode waveguide N32 that guides input signal light, and an output waveguide N33 that outputs output signal light. Is formed.

ここで、入力導波路Ｎ３１および出力導波路Ｎ３３は、ＩｎＧａＡｓＰをコアとした利得媒質からなる単一モード導波路から構成することができ、多モード導波路Ｎ３２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Ｎ３１側のｎ−ＩｎＰ基板６２の端面には反射防止膜７０ａが形成されるとともに、出力導波路Ｎ３３側のｎ−ＩｎＰ基板６２の端面には反射防止膜７０ｂが形成されている。さらに、多モード導波路Ｎ３２の両脇には、多モード導波路Ｎ３２に入射された光の伝搬方向と交差する方向に光を反射させる回折格子Ｒ３１、Ｒ３２が対向配置されている。ここで、回折格子Ｒ３１、Ｒ３２は多モード導波路Ｎ３２と同一層上に配置された利得媒質に形成することができ、回折格子Ｒ３１、Ｒ３２に形成された利得媒質と多モード導波路Ｎ３２に形成された利得媒質とは互いに分離することができる。   Here, the input waveguide N31 and the output waveguide N33 can be composed of a single mode waveguide made of a gain medium having InGaAsP as a core, and the multimode waveguide N32 is made of a gain medium having InGaAsP as a core. The multimode waveguide can be configured as follows. An antireflection film 70a is formed on the end surface of the n-InP substrate 62 on the input waveguide N31 side, and an antireflection film 70b is formed on the end surface of the n-InP substrate 62 on the output waveguide N33 side. Yes. Further, on both sides of the multimode waveguide N32, diffraction gratings R31 and R32 that reflect light in a direction intersecting with the propagation direction of the light incident on the multimode waveguide N32 are disposed to face each other. Here, the diffraction gratings R31 and R32 can be formed in a gain medium disposed on the same layer as the multimode waveguide N32, and are formed in the gain medium formed in the diffraction gratings R31 and R32 and the multimode waveguide N32. The gain mediums can be separated from each other.

また、図６（ｂ）において、図６（ａ）の入力導波路Ｎ３１および出力導波路Ｎ３３では、ＩｎＧａＡｓＰ活性層６３がストライプ状にｎ−ＩｎＰ基板６２上に形成されている。なお、ＩｎＧａＡｓＰ活性層６３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。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層６３上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層６６が形成されている。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層６３およびｐ−ＩｎＰクラッド層６６は、入力導波路Ｎ３１および出力導波路Ｎ３３の両側がＩｎＧａＡｓＰ活性層６３の下部までエッチング除去され、ハイメサ構造が形成されている。   6B, in the input waveguide N31 and the output waveguide N33 in FIG. 6A, the InGaAsP active layer 63 is formed on the n-InP substrate 62 in a stripe shape. The width of the InGaAsP active layer 63 can be set so that single mode light is propagated. A p-InP cladding layer 66 is formed on the InGaAsP active layer 63. The InGaAsP active layer 63 and the p-InP clad layer 66 are etched away on both sides of the input waveguide N31 and the output waveguide N33 to the lower part of the InGaAsP active layer 63 to form a high mesa structure.

そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層６３およびｐ−ＩｎＰクラッド層６６のエッチング除去された部分には絶縁膜６８が埋め込まれるとともに、ＩｎＧａＡｓＰ活性層６３およびｐ−ＩｎＰクラッド層６６のエッチング除去されずに残る部分上には、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層６７が形成されている。なお、絶縁膜６８としては、例えば、ポリイミドやＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）などを用いることができる。そして、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層６７上には、絶縁膜６８上にまたがるようにしてｐ側電極６９が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板６２の裏面にはｎ側電極６１が形成されている。   An insulating film 68 is embedded in the etched portions of the InGaAsP active layer 63 and the p-InP clad layer 66, and the InGaAsP active layer 63 and the p-InP clad layer 66 are left without being etched away. The p-GaInAs contact layer 67 is formed. As the insulating film 68, for example, polyimide, BCB (benzocyclobutene), or the like can be used. A p-side electrode 69 is formed on the p-GaInAs contact layer 67 so as to straddle the insulating film 68, and an n-side electrode 61 is formed on the back surface of the n-InP substrate 62.

また、図６（ｃ）において、図６（ａ）の多モード導波路Ｎ３２では、ＩｎＧａＡｓＰ活性層６３がストライプ状にｎ−ＩｎＰ基板６２上に形成されている。なお、多モード導波路Ｎ６２のＩｎＧａＡｓＰ活性層６３の幅は、複数の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６３は回折格子Ｒ３１、Ｒ３２に延伸され、回折格子Ｒ３１、Ｒ３２のＩｎＧａＡｓＰ活性層６３には、入力信号光の伝搬方向に沿うように埋め込まれたＩｎＰ埋め込み層６３ａが所定間隔で形成されている。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層６３上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層６６が形成されている。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層６３およびｐ−ＩｎＰクラッド層６６は、回折格子Ｒ３１、Ｒ３２と多モード導波路Ｎ３２との間がＩｎＧａＡｓＰ活性層６３の下部までエッチング除去され、ハイメサ構造が形成されている。   6C, in the multimode waveguide N32 of FIG. 6A, the InGaAsP active layer 63 is formed on the n-InP substrate 62 in a stripe shape. The width of the InGaAsP active layer 63 of the multimode waveguide N62 can be set so that light of a plurality of modes is propagated. The InGaAsP active layer 63 is extended to the diffraction gratings R31 and R32, and the InGaAsP active layer 63 of the diffraction gratings R31 and R32 has InP buried layers 63a buried along the propagation direction of the input signal light at predetermined intervals. Is formed. A p-InP cladding layer 66 is formed on the InGaAsP active layer 63. The InGaAsP active layer 63 and the p-InP clad layer 66 are etched away to the lower part of the InGaAsP active layer 63 between the diffraction gratings R31 and R32 and the multimode waveguide N32 to form a high mesa structure.

そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層６３およびｐ−ＩｎＰクラッド層６６のエッチング除去された部分には絶縁膜６８が埋め込まれるとともに、ＩｎＧａＡｓＰ活性層６３およびｐ−ＩｎＰクラッド層６６のエッチング除去されずに残る部分上には、多モード導波路Ｎ３２および回折格子Ｒ３１、Ｒ３２に対応して分割されたｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層６７が形成されている。また、多モード導波路Ｎ３２および回折格子Ｒ３１、Ｒ３２に対応して分割されたｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層６７上にはｐ側電極６９ａ、６９ｃ、６９ｂがそれぞれ形成され、ｎ−ＩｎＰ基板６２の裏面にはｎ側電極６１が形成されている。   An insulating film 68 is embedded in the etched portions of the InGaAsP active layer 63 and the p-InP clad layer 66, and the InGaAsP active layer 63 and the p-InP clad layer 66 are left without being etched away. Is formed with a p-GaInAs contact layer 67 divided corresponding to the multimode waveguide N32 and the diffraction gratings R31 and R32. In addition, p-side electrodes 69 a, 69 c, and 69 b are formed on the p-GaInAs contact layer 67 divided corresponding to the multimode waveguide N <b> 32 and the diffraction gratings R <b> 31 and R <b> 32, respectively. An n-side electrode 61 is formed.

これにより、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可能となり、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。また、回折格子Ｒ３１、Ｒ３２に利得を持たせつつ、回折格子Ｒ３１、Ｒ３２と多モード導波路Ｎ３２との間でＩｎＧａＡｓＰ活性層６３を分割することが可能となり、多モード導波路Ｎ３２への電流注入と回折格子Ｒ３１、Ｒ３２への電流注入とをそれぞれ精度よく制御することが可能となる。このため、多モード導波路Ｎ３２および回折格子Ｒ３１、Ｒ３２のキャリア密度の制御を精度よく行うことが可能となり、信号光の利得制御を精度よく行うことが可能となるとともに、信号光の利得を精密に変化させることが可能となる。   This makes it possible to cause laser oscillation in a direction orthogonal to the waveguide direction of the signal light, and to amplify the input signal light in a gain medium whose gain is clamped by the oscillation. For this reason, a wavelength filter or an optical waveguide for separating the signal light and the oscillation light can be dispensed with, and the gain fluctuation due to the input light intensity can be suppressed while suppressing an increase in the element size. In addition, the InGaAsP active layer 63 can be divided between the diffraction gratings R31 and R32 and the multimode waveguide N32 while gaining the diffraction gratings R31 and R32, and current injection into the multimode waveguide N32 is possible. And the current injection into the diffraction gratings R31 and R32 can be accurately controlled. As a result, the carrier density of the multimode waveguide N32 and the diffraction gratings R31 and R32 can be controlled with high accuracy, the gain control of the signal light can be performed with high accuracy, and the gain of the signal light can be precisely controlled. It becomes possible to change to.

なお、信号光と直交する方向での回折格子Ｒ３１、Ｒ３２による共振器における損失を抑制するために、多モード導波路Ｎ３２と回折格子Ｒ３１、Ｒ３２とを隔てる溝に埋め込む絶縁体を、屈折率の異なる２種類以上の材料を用いたサンドイッチ構造としてもよい。例えば、図６（ｄ）に示すように、ＩｎＧａＡｓＰ活性層６３およびｐ−ＩｎＰクラッド層６６のエッチング除去された部分には絶縁膜６８ａ〜６８ｃを順次埋め込むことができる。ここで、絶縁膜６８ａ、６８ｃよりも屈折率の大きな材料を絶縁膜６８ｂに用いることにより、スラブ導波路構造を構成することができる。このため、信号光と直交する方向に伝播する発振光が多モード導波路Ｎ３２と回折格子Ｒ３１、Ｒ３２との間を通過する際の損失を低減することができる。   In order to suppress the loss in the resonator caused by the diffraction gratings R31 and R32 in the direction orthogonal to the signal light, an insulator embedded in the groove separating the multimode waveguide N32 and the diffraction gratings R31 and R32 is provided with a refractive index. A sandwich structure using two or more different materials may be used. For example, as shown in FIG. 6D, insulating films 68 a to 68 c can be sequentially embedded in the etched portions of the InGaAsP active layer 63 and the p-InP cladding layer 66. Here, a slab waveguide structure can be configured by using a material having a higher refractive index than the insulating films 68a and 68c for the insulating film 68b. For this reason, it is possible to reduce a loss when the oscillation light propagating in the direction orthogonal to the signal light passes between the multimode waveguide N32 and the diffraction gratings R31 and R32.

ここで、絶縁膜６８ａ〜６８ｃの材料としてポリイミドなどの有機材料を用いることにより、絶縁膜６８ａ〜６８ｃをスピンコートにて塗布することができ、絶縁膜６８ａ〜６８ｃの多層構造を容易に作製することができる。また、有機材料は酸素プラズマによって容易に加工することができ、半導体構造が破壊されることを防止することができる。また、絶縁膜６８ａ〜６８ｃとして有機材料を用いることにより、多モード導波路Ｎ３２と回折格子Ｒ３１、Ｒ３２とを隔てる溝に絶縁膜６８ａ〜６８ｃの多層構造を形成する際に、入力導波路Ｎ３１および出力導波路Ｎ３３の両脇にも絶縁膜６８ａ〜６８ｃの多層構造が形成された場合においても、絶縁膜６８ａ〜６８ｃの多層構造と半導体との屈折率差を十分に確保することができ、入力導波路Ｎ３１および出力導波路Ｎ３３における信号光の導波に影響が及ぶことを防止することができる。また、有機材料は酸素プラズマによって容易に加工することができ、入力導波路Ｎ３１および出力導波路Ｎ３３の両脇の絶縁膜６８ａ〜６８ｃを容易に除去することができる。   Here, by using an organic material such as polyimide as the material of the insulating films 68a to 68c, the insulating films 68a to 68c can be applied by spin coating, and a multilayer structure of the insulating films 68a to 68c is easily manufactured. be able to. In addition, the organic material can be easily processed by oxygen plasma, and the semiconductor structure can be prevented from being destroyed. Further, by using an organic material as the insulating films 68a to 68c, when forming a multilayer structure of the insulating films 68a to 68c in the groove separating the multimode waveguide N32 and the diffraction gratings R31 and R32, the input waveguide N31 and Even when the multilayer structure of the insulating films 68a to 68c is formed on both sides of the output waveguide N33, the refractive index difference between the multilayer structure of the insulating films 68a to 68c and the semiconductor can be sufficiently secured. It is possible to prevent the signal light from being influenced in the waveguide N31 and the output waveguide N33. The organic material can be easily processed by oxygen plasma, and the insulating films 68a to 68c on both sides of the input waveguide N31 and the output waveguide N33 can be easily removed.

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。   The above-described optical amplifying element can be applied to applications such as optical transmission processing systems using light such as optical communication, optical exchange, and optical information processing, and in particular, prevents fluctuations in gain of an optical signal due to the number of wavelength multiplexing. This makes it possible to suppress an increase in the size of the wavelength division multiplexing optical transmission system.

図１（ａ）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、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＢ１−Ｂ１´線で切断した構成を示す断面図、図１（ｃ）は、図１（ａ）のＣ１−Ｃ１´線で切断した構成を示す断面図である。FIG. 1A is a plan view showing a schematic configuration of the optical amplifying element according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a configuration cut along line B1-B1 ′ in FIG. FIG. 1C is a cross-sectional view showing a configuration cut along line C1-C1 ′ of FIG. 図１の光増幅素子の飽和特性を示す図である。It is a figure which shows the saturation characteristic of the optical amplification element of FIG. 図１の光増幅素子の規格化結合係数に対する反射率の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the reflectance with respect to the normalized coupling coefficient of the optical amplification element of FIG. 図４（ａ）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平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ２−Ｂ２´線で切断した構成を示す断面図、図４（ｃ）は、図４（ａ）のＣ２−Ｃ２´線で切断した構成を示す断面図である。4A is a plan view showing a schematic configuration of the optical amplifying element according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a configuration cut along line B2-B2 ′ in FIG. 4A. FIG. 4C is a cross-sectional view showing a configuration cut along the line C2-C2 ′ of FIG. 図５（ａ）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、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＢ３−Ｂ３´線で切断した構成を示す断面図、図５（ｃ）は、図５（ａ）のＣ３−Ｃ３´線で切断した構成を示す断面図である。FIG. 5A is a plan view showing a schematic configuration of the optical amplifying element according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 5B is a configuration cut along the line B3-B3 ′ in FIG. FIG. 5C is a cross-sectional view showing a configuration cut along the line C3-C3 ′ of FIG. 図６（ａ）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、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＢ４−Ｂ４´線で切断した構成を示す断面図、図６（ｃ）は、図６（ａ）のＣ６−Ｃ６´線で切断した構成を示す断面図、６（ｄ）は、図６（ａ）のＣ６−Ｃ６´線で切断したその他の構成を示す断面図である。FIG. 6A is a plan view showing a schematic configuration of the optical amplifying element according to the fourth embodiment of the present invention, and FIG. 6B is a configuration cut along line B4-B4 ′ in FIG. 6A. 6C is a cross-sectional view showing a configuration cut along a line C6-C6 ′ in FIG. 6A, and FIG. 6D is a cross-sectional view taken along a line C6-C6 ′ in FIG. It is sectional drawing which shows the other structure which performed. 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。7A is a cross-sectional view of a conventional optical amplifying element cut along the optical waveguide direction, and FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 7A. 図７の光増幅素子の飽和特性を示す図である。It is a figure which shows the saturation characteristic of the optical amplification element of FIG. 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。9A is a cross-sectional view of a conventional optical amplifying element cut along the optical waveguide direction, and FIG. 9B is a cross-sectional view taken along the line CC ′ of FIG. 9A. 図９の光増幅素子の飽和特性を示す図である。It is a figure which shows the saturation characteristic of the optical amplification element of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１、２１、４１、６１ 裏面電極
２、２２、４２、６２ ｎ−ＩｎＰ基板
３、２３、４３、６３ ＧａＩｎＡｓＰ活性層
３ａ、２３ａ、４３ａ、６３ａ ＩｎＰ埋め込み層
４、２４ ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層
５、２５ ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層
６、２６、４６、６６ ｐ−ＩｎＰクラッド層
７、２７、４７、６７ ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層
８、２８、４８、６８、６８ａ〜６８ｃ 絶縁膜
９、９ａ〜９ｃ、２９、２９ａ〜２９ｃ、４９、４９ａ〜４９ｃ、６９、６９ａ〜６９ｃ 上面電極
１０ａ、１０ｂ、３０ａ、３０ｂ、５０ａ、５０ｂ、７０ａ、７０ｂ 反射防止膜
Ｎ１、Ｎ１１、Ｎ２１、Ｎ３１ 入力導波路
Ｎ２、Ｎ１２、Ｎ２２、Ｎ３２ 多モード導波路
Ｎ３、Ｎ１３、Ｎ２３、Ｎ３３ 出力導波路
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ３１、Ｒ３２ 回折格子 1, 2, 41, 61 Back electrode 2, 22, 42, 62 n-InP substrate 3, 23, 43, 63 GaInAsP active layer 3a, 23a, 43a, 63a InP buried layer 4, 24 p-InP current blocking layer 5 25 n-GaInAsP current blocking layer 6, 26, 46, 66 p-InP cladding layer 7, 27, 47, 67 p-GaInAs contact layer 8, 28, 48, 68, 68a-68c Insulating film 9, 9a-9c 29, 29a to 29c, 49, 49a to 49c, 69, 69a to 69c Upper surface electrode 10a, 10b, 30a, 30b, 50a, 50b, 70a, 70b Antireflection film N1, N11, N21, N31 Input waveguide N2, N12, N22, N32 Multimode waveguide N3, N13, N23, N33 Output waveguide R1, R2, R11, R 12, R21, R22, R31, R32 diffraction grating

Claims (5)

単一モードの光を導波させる単一モード導波路からなる入力導波路および出力導波路と、
前記入力導波路と前記出力導波路との間に光学的に結合するように配置され、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から延伸された利得媒質に形成され、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光を反射させる回折格子とを備え、
前記入力導波路および前記出力導波路ならびに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、前記回折格子は前記多モード導波路の両脇のみに対向配置されるとともに、前記多モード導波路の幅および長さは自己結合効果を起こすように設定されていることを特徴とする光増幅素子。 An input waveguide and an output waveguide composed of a single mode waveguide for guiding single mode light; and
A multi-mode waveguide disposed so as to be optically coupled between the input waveguide and the output waveguide , configured to guide a plurality of modes of light, and to include a gain medium at least partially. When,
A diffraction grating that is formed in a gain medium extended from the multimode waveguide and reflects light in a direction intersecting a propagation direction of light incident on the multimode waveguide ;
The input waveguide, the output waveguide, and the multimode waveguide are arranged side by side on the same substrate so that the central axes of the waveguides coincide with each other, and the diffraction gratings are arranged only on both sides of the multimode waveguide. while being the multimode width and length of the waveguide is an optical amplifying element characterized that you have been set to undergo self-coupling effect. 単一モードの光を導波させる単一モード導波路からなる入力導波路および出力導波路と、
前記入力導波路と前記出力導波路との間に光学的に結合するように配置され、複数モードの光を導波させるとともに、少なくとも一部に第１の利得媒質を含むように構成された多モード導波路と、
前記第１の利得媒質と分離された第２の利得媒質に形成され、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光を反射させる回折格子とを備え、
前記入力導波路および前記出力導波路ならびに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、前記回折格子は前記多モード導波路の両脇のみに対向配置されるとともに、前記多モード導波路の幅および長さは自己結合効果を起こすように設定されていることを特徴とする光増幅素子。 An input waveguide and an output waveguide composed of a single mode waveguide for guiding single mode light; and
A plurality of optical waveguides arranged so as to be optically coupled between the input waveguide and the output waveguide , guide light of a plurality of modes, and include a first gain medium at least partially. A mode waveguide;
A diffraction grating formed in a second gain medium separated from the first gain medium and reflecting light in a direction intersecting a propagation direction of the light incident on the multimode waveguide ;
The input waveguide, the output waveguide, and the multimode waveguide are arranged side by side on the same substrate so that the central axes of the waveguides coincide with each other, and the diffraction gratings are arranged only on both sides of the multimode waveguide. while being the multimode width and length of the waveguide is an optical amplifying element characterized that you have been set to undergo self-coupling effect. 前記多モード導波路に電流を注入する第１電極と、
前記多モード導波路と独立して前記回折格子に電流を注入する第２電極とをさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の光増幅素子。 A first electrode for injecting current into the multimode waveguide;
Optical amplifier according to claim 1, wherein further comprising a second electrode for injecting current into said diffraction grating independently of said multimode waveguide. 前記多モード導波路と前記回折格子の少なくとも一部とを分離する電流ブロック層または分離溝をさらに備え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。 The multimode waveguide at least part an optical amplifying device of any one of claims 1 to 3, further comprising a current blocking layer or separation groove separating the diffraction grating. 前記回折格子の結合係数が１００ｃｍ−１以上であ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。 Optical amplifier according to any one of claims 1 4, characterized in that the coupling coefficient of the diffraction grating is 100 cm -1 or more.
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