JP4833630B2 - 光増幅素子 - Google Patents

Description

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

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

このため、ＷＤＭシステムでは、光ファイバを伝送する光信号を光のまま増幅する光増幅素子が必要不可欠となっている。
図１３（ａ）は、従来の光増幅素子を光導波方向に沿って切断した断面図、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＡ−Ａ´線で切断した断面図を示し、従来の光増幅素子（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＳＯＡ）の例として、ｎ−ＩｎＰ基板１０１を用いた場合の構造を示す（非特許文献１）。

図１３において、ｎ−ＩｎＰ基板１０１上には、利得媒質であるＩｎＧａＡｓＰ活性層１０２がストライプ状に形成され、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１０２は、ｐ−ＩｎＰ層１０３およびｎ−ＩｎＰ層１０４により埋め込まれている。
そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１０２およびｎ−ＩｎＰ層１０４上には、ｐ−ＩｎＰ層１０５が形成され、ｐ−ＩｎＰ層１０５上にはｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１０６が形成されている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１０６上にはｐ側電極１０７が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板１０１の裏面にはｎ側電極１０８が形成されている。

図１４は、図１３の光増幅素子の飽和特性を示す図である。
図１４において、入力光強度が小さい場合、入力光強度が増加しても利得はほぼ一定であるが、入力光強度がある値を超えると、利得は急激に減少する。ここで、ＷＤＭシステムでは、光信号として波長多重信号が入射され、その波長多重数は、アドドロップマルチプレクサ等を通過する毎に変動する。

今、波長多重数ｍの光信号が光増幅素子に入射したとものする。この場合、光増幅素子の入射光強度がｍ波合計でＰ₁（ｄＢｍ）になると、光増幅素子の利得はＧ₁（ｄＢｍ）になる。
ここで、アドドロップマルチプレクサにより光信号が追加されて、波長多重数がｎに増加したとする。この場合、光増幅素子の入射光強度がｎ波合計でＰ₂（ｄＢｍ）になると、光増幅素子の利得はＧ₂（ｄＢ）になる。

このように、図１３の光増幅素子をＷＤＭシステムに用いた場合、波長多重数により入射光強度が異なるようになるため、光信号の利得が変動する。このため、従来の光増幅器では、特許文献１に開示されているように、波長多重数により光信号の利得が変動することを防止するため、発振作用を利用することで利得をある一定値にクランプする方法を用いたものがあった。

図１５（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１５（ｂ）は、図１５（ａ）のＣ−Ｃ´線で切断した断面図である。
図１５において、ｎ−ＩｎＰ基板２０１上には、利得媒質であるＩｎＧａＡｓＰ活性層２０２がストライプ状に形成され、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２０２は、ｐ−ＩｎＰ層２０３およびｎ−ＩｎＰ層２０４により埋め込まれている。

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

図１５の光増幅素子では、ＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込め層２１０に形成されているグレーティングにより光信号が反射されるため正帰還がかかり、ＤＦＢレーザのように発振させることができる。ただし、グレーティングの結合係数は通常のＤＦＢレーザよりも小さくなっており、発振しきい値は高くなっている。
図１５の光増幅素子のレーザ発振状態では、利得媒質でのキャリア密度は一定値にクランプされるが、発振しきい値が高いため、キャリア密度は通常のＤＦＢレーザよりも高い値にクランプされる。

このため、図１５のグレーティングを有するＤＦＢ型光増幅素子では、発振が生じている限り、その利得媒質（ＩｎＧａＡｓＰ活性層２０２）のキャリア密度は一定となり、利得は利得媒質のキャリア密度に比例するため、利得を一定値にクランプさせることができる。
従って、上述した発振状態では、光増幅素子に注入する電流値を増加させても、発振光の光強度が増大するだけで、光増幅素子の利得を一定に保つことができる。そして、入力信号光強度が大きくなった場合、発振光強度が減少して、光増幅素子内部でのトータルの光強度が一定に保たれるため、光増幅素子のキャリア密度に変動が生じることがなく、光増幅素子の利得を一定に保つことができる。

図１６は、図１５の光増幅素子の飽和特性を示す図である。
図１６において、図１５の光増幅素子では、外部から入射された信号光の入力光強度が変動しても、利得は一定値Ｇｏに保たれる。すなわち、信号光の波長多重数がｍからｎに変化し、合計入力パワーがＰ₁からＰ₂に変化した場合においても、利得はＧｏで一定値となる。

また、図１５の光増幅素子では、外部からの入射光強度がさらに増大し、発振が抑圧された場合に限り、利得が低下する。逆に、図１５の光増幅素子で発振が生じている限り、入射光強度あるいは入射信号の波長多重数によらず、利得を一定に保つことができる。
また、特許文献１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シングル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

しかしながら、図１５のＤＦＢ型光増幅素子を用いた場合、発振光が信号光と同一光路に混入するため、この混入した発振光を除去するための波長フィルタが必要になるという問題があった。
さらに、図１５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。

また、特許文献１に開示された半導体光アンプにおいても、図１５のＤＦＢ型光増幅素子と同様の問題があった。
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。
そこで、本発明の目的は、構成要件を緩和しつつ、入力光強度による利得変動を抑えるとともに、信号光の導波方向に発振光が混入することを防止することが可能な光増幅素子を提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載の光増幅素子は、信号光を単一モードで伝送する２つの入出力導波路と、該２つの入出力導波路の間で信号光を複数モードで且つ一定の導波路幅で伝送する多モード導波路とを備えた光増幅素子において、前記信号光を増幅する利得を持つ利得領域と、前記利得を持たない非利得領域とから前記多モード導波路を構成し、前記利得領域から放出された自然放出光を前記多モード導波路の導波方向と交差する方向に反射する反射領域を前記利得領域の両脇に形成するとともに、前記多モード導波路の導波方向に沿う前記利得領域の長さと前記非利得領域の長さとを合計した長さを前記信号光の自己結像効果が生じる長さとしたことを特徴とする。

これにより、発振が生じる方向の選択性を向上させることができ、信号光の導波方向と直交する方向に導波する発振光の利得の低下を抑制しつつ、信号光の導波方向の利得を低下させることができる。このため、反射領域の反射率が小さい場合においても、信号光の導波方向と直交する方向に発振が生じる前に信号光の導波方向で発振が生じることを防止することができ、信号光の導波方向と直交する方向に発振光を導波させつつ、多モード導波路での発振作用により信号光の利得をクランプさせることができる。このため、入出力導波路の１つ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とともに、光増幅素子に要求される構成要件を緩和することができる。この結果、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となるとともに、光増幅素子を安定して作製することができる。

また、２つの入出力導波路と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水平面内で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、入出力導波路の１つ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、信号光の伝播方向と直交する方向に発振を起こさせるための利得を容易に稼ぐことができ、光増幅素子の構成要件を緩和することができる。

また、請求項２記載の光増幅素子は、請求項１記載の光増幅素子において、前記多モード導波路を、前記２つの入出力導波路の間に複数配置するとともに、前記信号光を単一モードで伝搬する複数の接続導波路により直列に接続したことを特徴とする。

これにより、多モード導波路全体の長さを長くすることを可能として、クランプ利得を稼ぐことが可能となるとともに、反射領域の反射率が小さい場合においても、信号光の導波方向と直交する方向に発振が生じる前に信号光の導波方向で発振が生じることを防止することができる。このため、入出力導波路の１つ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とともに、光増幅素子に要求される構成要件を緩和しつつ、駆動電流を低減させることができる。
また、請求項３記載の光増幅素子は、請求項１または２記載の光増幅素子において、前記非利得領域を、前記利得領域の光入射側端面と光出射側端面に隣接して形成したことを特徴とする。
これにより、請求項１または２記載の光増幅素子における前述の効果をより一層高めることができる。

また、請求項４記載の光増幅素子は、信号光を単一モードで伝送する２つの入出力導波路と、該２つの入出力導波路の間で信号光を複数モードで且つ一定の導波路幅で伝送する複数の多モード導波路と、前記２つの入出力導波路のうち一方の入出力導波路から出力された信号光を分岐して前記複数の多モード導波路に入力する光分岐手段と、前記複数の多モード導波路から出力された信号光を合波して前記２つの入出力導波路のうち他方の入出力導波路に出力する光合波手段とを備えた光増幅素子において、前記多モード導波路の導波路幅をＷ ₁ 、前記多モード導波路の縦方向の等価屈折率をｎ _eq 、前記信号光の波長をλとしたとき、前記多モード導波路の各長さＬ _i を、Ｌ _i ＝ｍ _i ・ｎ _eq ・Ｗ ₁ ² ／λ（ただし、ｍ _i ：正の整数）を満たす長さに設定するとともに、前記多モード導波路の少なくとも一部を構成する利得媒質から放出された自然放出光を前記多モード導波路の導波方向と交差する方向に反射する２つの反射領域を前記複数の多モード導波路を間に挟んで対向配置したことを特徴とする。

これにより、信号光の導波方向の利得の増大を抑制しつつ、信号光の導波方向と直交する方向に導波する発振光の利得を増大させることができる。このため、反射領域の反射率が小さい場合においても、信号光の導波方向と直交する方向に発振が生じる前に信号光の導波方向で発振が生じることを防止することができ、信号光の導波方向と直交する方向に発振光を導波させつつ、多モード導波路での発振作用により信号光の利得をクランプさせることができる。このため、入出力導波路の１つ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とともに、光増幅素子に要求される構成要件を緩和することができる。この結果、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となるとともに、光増幅素子を安定して作製することができる。

また、請求項５記載の光増幅素子は、信号光を複数モードで且つ一定の導波路幅で伝送する複数の多モード導波路と、該多モード導波路の各一端に光学的に接続された複数の入力導波路と、該入力導波路に対応して前記多モード導波路の各他端に光学的に接続された複数の出力導波路とを備えた光増幅素子において、前記多モード導波路の導波路幅をＷ ₁ 、前記多モード導波路の縦方向の等価屈折率をｎ _eq 、前記信号光の波長をλとしたとき、前記多モード導波路の各長さＬ _i を、Ｌ _i ＝ｍ _i ・ｎ _eq ・Ｗ ₁ ² ／λ（ただし、ｍ _i ：正の整数）を満たす長さに設定するとともに、前記多モード導波路の少なくとも一部を構成する利得媒質から放出された自然放出光を前記多モード導波路の導波方向と交差する方向に反射する２つの反射領域を前記複数の多モード導波路を間に挟んで対向配置したことを特徴とする。

これにより、反射領域の反射率が小さい場合においても、信号光の導波方向と直交する方向に発振が生じる前に信号光の導波方向で発振が生じることを防止することができ、信号光の導波方向と直交する方向に発振光を導波させつつ、多モード導波路での発振作用により信号光の利得をクランプさせることができる。このため、出力導波路から出射される増幅光に発振光が混入することを防止しつつ、発振により利得がクランプされた利得媒質内で、入力信号光を増幅させることが可能となるとともに、光増幅素子に要求される構成要件を緩和することができる。

これにより、自己結合効果を発現させることを可能としつつ、多モード導波路の長さを長くすることを可能として、クランプ利得を稼ぐことが可能となる。このため、注入電流密度を一定に保ちつつ、多モード導波路のサイズを小さくすることが可能となり、出力導波路の基本モードに信号光を低損失で結合させることを可能としつつ、駆動電流を低減させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、出力導波路から出射される増幅光に発振光が混入することを防止しつつ、発振により利得がクランプされた利得媒質内で、入力信号光を増幅させることが可能となるとともに、光増幅素子に要求される構成要件を緩和することができる。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とともに、光増幅素子を安定して作製することができる。

以下、本発明の実施形態に係る光増幅素子について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す平面図、図２は、図１の４１４の部分を拡大して示す平面図である。
図１において、ｎ−ＩｎＰ基板４０１上には、入力信号光４１１を入力する入力導波路４０２、入力信号光４１１を導波させる多モード導波路４０３ａ〜４０３ｃ、出力信号光４１２を出力する出力導波路４０４が、信号光の伝播方向に沿って順次形成されている。ここで、多モード導波路４０３ｂは信号光の伝播方向に沿って利得を持つように構成し、多モード導波路４０３ａ、４０３ｃは信号光の伝播方向に沿って利得を持たないように構成することができる。

また、入力導波路４０２および出力導波路４０４は、信号光波長に対して透明なＩｎＧａＡｓＰをコアとしたシングルモード導波路から構成することができ、多モード導波路４０３ｂは、ＩｎＧａＡｓＰをコアとした利得媒質からなる多モード導波路から構成することができ、多モード導波路４０３ａ、４０３ｃは、信号光波長に対して透明なＩｎＧａＡｓＰをコアとした多モード導波路から構成することができる。また、入力導波路４０２、多モード導波路４０３ａ〜４０３ｃおよび出力導波路４０４は導波路中心軸が互いに一致するようにｎ−ＩｎＰ基板４０１上に並べて配置することができる。また、多モード導波路４０３ａの長さをＬ_p1、多モード導波路４０３ｂの長さをＬ₀、多モード導波路４０３ｃの長さをＬ_p2とすると、多モード導波路４０３ａ〜４０３ｃの全体の長さＬ＝Ｌ_p1＋Ｌ₀＋Ｌ_p2は、多モード導波路４０３ａ〜４０３ｃの幅をＷ₁、多モード導波路４０３ａ〜４０３ｃの縦方向（基板垂直方向）の等価屈折率をｎ_eq、入力信号光４１１の波長をλとすると、
Ｌ＝ｍ・ｎ_eq・Ｗ₁ ²／λ ・・・（１）
の関係を満たすように設定することができる。ここで、ｍは任意の整数である。これは、多モード干渉はＬ＝ｎ_eq・Ｗ₁ ²／λごとに周期的にスポットが形成されるため、その整数倍を多モード導波路の長さとして用いることに対応している。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４０３ａ〜４０３ｃの全体の長さＬをＬ_MMIとする。ここで、多モード導波路４０３ａ〜４０３ｃの全体の長さＬ_MMIは、多モード導波路４０３ａ〜４０３ｃにおいて、光が最初にスポット状に集光されるまでの長さを示している。

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

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

そして、光がある距離だけ伝搬すると、各モードの光の位相が多モード導波路４０３ａ〜４０３ｃ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。

ここで、（１）式の関係を満たすように、多モード導波路４０３ａ〜４０３ｃの長さＬ_MMIを設定することにより、多モード導波路４０３ａ〜４０３ｃ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４０３ａ〜４０３ｃ内を長さＬ_MMIだけ伝搬した信号光は出力導波路４０４に入射し、出力導波路４０４を伝搬した後、出力信号光４１２として端面４０６から出射される。

これにより、多モード導波路４０３ａ〜４０３ｃ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４０３ａ〜４０３ｃ内を伝搬した信号光を出力導波路４０４の基本モードに結合させることができる。このため、複数の伝搬モードを多モード導波路４０３ａ〜４０３ｃ内で励振させた場合においても、多モード導波路４０３ａ〜４０３ｃと出力導波路４０４との間の結合損失を低減させることができる。
また、多モード導波路４０３ｂのコアは利得媒質を含むため、入力信号光４１１は、多モード導波路４０３ｂを伝搬するに従って増幅され、増幅された出力信号光４１２を得ることができる。

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

さらに、利得を持つように構成された多モード導波路４０３ｂの前後段には、利得を持たないように構成された多モード導波路４０３ａ、４０３ｃが設けられている。このため、発振が生じる方向の選択性を向上させることができ、信号光の導波方向と直交する方向に導波する発振光の利得の低下を抑制しつつ、信号光の導波方向の利得を低下させることができる。このため、反射手段４０９、４１０の反射率が小さい場合においても、信号光の導波方向と異なる方向に発振が生じる前に信号光の導波方向で発振が生じることを防止することができ、信号光の導波方向と異なる方向に発振光を導波させつつ、多モード導波路での発振作用により信号光の利得をクランプさせることができる。

このため、出力導波路４０２から出射される増幅光に発振光が混入することを防止しつつ、発振により利得がクランプされた利得媒質内で、入力信号光４１１を増幅させることが可能となるとともに、光増幅素子に要求される構成要件を緩和することができる。この結果、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となるとともに、光増幅素子を安定して作製することができる。

すなわち、図２に示すように、多モード導波路４０３ｂにて生成された自然放出光４００２、４００３は、導波路の中心軸Ｄ１−Ｄ１´方向に沿って伝播する信号光４００１に対して様々の角度で交差する。ここで、信号光４００１との交差角度が浅い自然放出光４００２が、多モード導波路４０３ｂから多モード導波路４０３ｃに進入したとしても、多モード導波路４０３ｃは利得を持たないため、多モード導波路４０３ｃに進入した自然放出光４００２がそれ以上増幅されることはない。また、多モード導波路４０３ｃの両脇には反射手段もないため、多モード導波路４０３ｃに進入した自然放出光４００２はｎ−ＩｎＰ基板４０１外に放射され、多モード導波路４０３ｂに戻ることはなく、レーザキャビティも形成されず発振も生じない。

一方、信号光４００１とほぼ垂直に交差する自然放出光４００３は、多モード導波路４０３ｂから多モード導波路４０３ｃに進入することはなく、多モード導波路４０３ｂの両脇には反射手段４０９、４１０が形成されているため、多モード導波路４０３ｂ内で増幅されながら反射手段４０９、４１０にて反射が繰り返される。この結果、自然放出光４００３は、多モード導波路４０３ｂ内において発振利得に達し、レーザ発振するようになる。

従って、発振光の伝播方向は信号光の伝播方向に対して垂直に近い角度で交差するようになり、発振光と信号光との交差角度を大きくすることができる。このため、出力導波路４０４に発振光が混入することを防止することが可能となり、発振光と信号光との分離を容易化することができる。また、発振光と信号光との交差角度を大きくすることが可能となることから、発振光が信号光に混入することを防止しつつ、多モード導波路４０３ｂの幅を増大させることで、信号光と直交する方向での利得を増大させることができる。このため、反射手段４０９、４１０の反射率に対する要求を緩和することが可能となり、光増幅素子の作製を容易化することができる。
なお、図１の構成例では、利得を持つ多モード導波路４０３ｂの前後段に利得を持たない多モード導波路４０３ａ、４０３ｃをそれぞれ設ける方法について説明したが、利得を持つ多モード導波路４０３ｂの前段または後段のいずれか一方にのみ利得を持たない多モード導波路を設けるようにしてもよい。

図３は、図１のＡ１−Ａ１´線で切断した光増幅素子の構成例を示す断面図である。
図３において、図１の多モード導波路４０３ｂでは、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２がストライプ状にｎ−ＩｎＰ基板５０１上に形成されている。なお、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２の幅は、複数モードの光が伝播されるように設定することができ、多モード導波路４０３ｂのＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２の幅は、例えば、２０μｍに設定することができる。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２の両側は、ｎ−ＩｎＰ基板５０１上に順次積層されたｐ−ＩｎＰ電流ブロック層５０３およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５０４にて埋め込まれている。ここで、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層５０３およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５０４にてＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２の両側を埋め込むことにより、埋め込みヘテロ構造を構成することができる。

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

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

図４は、図１のＤ１−Ｄ１´線で切断した光増幅素子の構成例を示す断面図である。
図４において、ｎ−ＩｎＰ基板５００１上には、利得媒質であるＩｎＧａＡｓＰ活性層５００３がストライプ状に形成され、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５００３の前後段には、信号光波長に対して透明なＩｎＧａＡｓＰコア層５００２、５００４がそれぞれ配置されている。

そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５００２およびＩｎＧａＡｓＰコア層５００２、５００４上には、ｐ−ＩｎＰ層５００５が形成され、ｐ−ＩｎＰ層５００５上には、多モード導波路４０３ｂに対応して配置されたｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層５００６が形成されている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層５００６上にはｐ側電極５００７が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板５００１の裏面にはｎ側電極５００８が形成されている。

一方、入力導波路４０２および出力導波路４０４のＣ１−Ｃ１´線で切断した構成は、入力導波路４０２および出力導波路４０４のＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２の幅が多モード導波路４０３のＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２の幅と異なることを除けば、多モード導波路４０３と同様の構成をとることができる。すなわち、入力導波路４０２および出力導波路４０４のＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２の幅は、単一モードの光が伝搬されるように設定され、入力導波路４０２および出力導波路４０４のＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２の幅は、例えば、０．８μｍに設定することができる。

また、多モード導波路４０３ａ、４０３ｃのＢ１−Ｂ１´線で切断した構成は、ＩｎＧａＡｓＰコア層の組成が信号光波長に対して透明になっていることと、多モード導波路のために導波路幅が広いことを除けば、図１３（ｂ）と同様の構成をとることができる。
なお、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層５０３、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５０４、ｐ−ＩｎＰクラッド層５０５およびｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層５０６をｎ−ＩｎＰ基板５０１上に形成する場合、例えば、ＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）、ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、あるいはＡＬＣＶＤ（ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などのエピタキシャル成長を用いることができる。

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

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

ここで、反射損失は０．４６ｄＢなので、この反射光が多モード導波路４０３ｂ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、反射手段５０９、５１０とＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２とからなるレーザキャビティが多モード導波路４０３ｂの幅方向に形成され、多モード導波路４０３ｂの幅方向にレーザ発振を起こさせることができる。

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

一方、多モード導波路４０３ｂ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４０３ｂ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４０３ｂの長さＬ₀＝８３６μｍであるとすると、多モード導波路４０３ｂを伝搬した時の信号光の利得は、
８３６μｍ×（０．４６ｄＢ／２０μｍ）＝１９ｄＢ ・・・（２）
でクランプされる。

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

図５は、図１のＡ１−Ａ１´線で切断した光増幅素子のその他の構成例を示す断面図である。
図５において、図１の多モード導波路４０３ｂでは、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２ｂがストライプ状にｎ−ＩｎＰ基板５０１ｂ上に形成されている。なお、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２ｂの幅は、複数モードの光が伝播されるように設定することができる。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２ｂの両側は、ｎ−ＩｎＰ基板５０１ｂ上に順次積層されたｐ−ＩｎＰ電流ブロック層５０３ｂおよびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５０４ｂにて埋め込まれている。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２ｂおよびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５０４ｂ上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層５０５ｂが形成されている。

そして、ｐ−ＩｎＰクラッド層５０５ｂ上にはｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層５０６ｂが形成されている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層５０６ｂ上にはｐ側電極５０７ｂが形成され、ｎ−ＩｎＰ基板５０１ｂの裏面にはｎ側電極５０８ｂが形成されている。また、ｐ側電極５０７ｂ、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層５０６ｂ、ｐ−ＩｎＰクラッド層５０５ｂ、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５０４ｂおよびｐ−ＩｎＰ電流ブロック層５０３ｂには、入力信号光４１１の伝搬方向に沿うように配置された溝５０９ｂ、５１０ｂがＩｎＧａＡｓＰ活性層５０２ｂの両側にそれぞれ形成されている。ここで、溝５０９ｂ、５１０ｂを入力信号光４１１の伝搬方向に沿って周期的に配置することにより、半導体と空気との周期構造を構成することができ、周期構造のペア数を２以上とすることにより、９８％以上の反射率を得ることができる。

図６は、本発明の光増幅素子の動作原理を示す平面図である。
図６において、ｎ−ＩｎＰ基板６０１上には、入力信号光６１１を入力する入力導波路６０２、入力信号光６１１を導波させる多モード導波路６０３、出力信号光６１２を出力する出力導波路６０４が形成されている。ここで、入力導波路６０２および出力導波路６０４は、ＩｎＧａＡｓＰをコアとした利得媒質からなるシングルモード導波路から構成することができ、多モード導波路６０３は、ＩｎＧａＡｓＰをコアとした利得媒質からなる多モード導波路から構成することができる。

また、入力導波路６０２側のｎ−ＩｎＰ基板６０１の端面６０５には反射防止膜６０７が形成されるとともに、出力導波路６０４側のｎ−ＩｎＰ基板６０１の端面６０６には反射防止膜６０８が形成されている。さらに、多モード導波路６０３の両脇には、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高反射膜６０９、６１０が対向配置されている。
ここで、図６のＡ２−Ａ２´線で切断した光増幅素子の構成は図３の構成と同様とすることができ、図６のＢ２−Ｂ２´線で切断した光増幅素子の構成は図１のＣ１−Ｃ１´線で切断した光増幅素子の構成と同様とすることができる。

そして、入力導波路６０２に入射した入力信号光６１１は、入力導波路６０２を伝搬して多モード導波路６０３に入射される。そして、入力信号光６１１が多モード導波路６０３に入射すると、入力信号光６１１は多モード導波路６０３における固有モードに展開される。すなわち、入力導波路６０２の基本伝搬モードと多モード導波路６０３の複数の伝搬モードとの重なり積分に比例したパワー分布で多モード導波路６０３内の複数の伝搬モードが励振される。そして、多モード導波路６０３内で励振された各モードは、それぞれの伝搬定数により決定される位相条件で多モード導波路６０３内を伝搬する。

そして、光がある距離だけ伝搬すると、各モードの光の位相が多モード導波路６０３内で互いに強め合う状態となり、１つまたは複数のスポットに集光される。ここで、（１）式の関係を満たすように、多モード導波路６０３の長さＬを設定することにより、多モード導波路６０３内を伝搬する信号光を１つのスポットに集光させることができる。そして、多モード導波路６０３内を長さＬ_MMIだけ伝搬した信号光は出力導波路６０４に入射し、出力導波路６０４を伝搬した後、出力信号光６１２として端面６０６から出射される。

例えば、多モード導波路６０３の幅Ｗ＝２０μｍ、多モード導波路６０３の等価屈折率ｎ_eq＝３．２４、入力信号光４１１の波長λ＝１．５５μｍ、ｍ＝１とすると、多モード導波路６０３の長さＬ_MMI＝８３６μｍに設定することができる。
また、入力導波路６０２、多モード導波路６０３および出力導波路６０４のコアは利得媒質を含むため、入力信号光６１１は、入力導波路６０２、多モード導波路６０３および出力導波路６０４を伝搬するに従って増幅され、増幅された出力信号光６１２を得ることができる。

一方、多モード導波路６０３にて生成された自然放出光は四方八方に放出され、多モード導波路６０３の両脇の高反射膜６０９、６１０にて反射させることにより、入力信号光６１１の導波方向と直交する方向にレーザ発振を起こさせることができる。そして、入力信号光６１１の導波方向と直交する方向にレーザ発振が起こると、多モード導波路６０３に入射された信号光の強度が変動した場合においても、多モード導波路６０３のキャリア密度を一定に保つことができ、光増幅素子の利得を一定値にクランプさせることができる。

図７は、図６の光増幅素子の飽和特性を示す図である。
図７において、多モード導波路６０３に電流を注入すると、最初は電流の増加とともに利得は増加する。そして、電流がＩ₁に達すると、多モード導波路６０３の幅方向に距離Ｗだけ伝搬した時の利得がしきい値利得Ｇ_lateralに達し、多モード導波路６０３の幅方向で発振が生じる。この時、発振しきい値利得Ｇ_lateralは、
Ｇ_lateral＝−１０×ｌｏｇ（Ｒ_H）（ｄＢ） ・・・（３）
で与えられる。

さらに電流を増加させ、電流がＩ₂（＞Ｉ₁）に達した場合においても、多モード導波路６０３内では既に発振が生じているためキャリア密度は一定値にクランプされ、利得は増加しない。すなわち、通常の光増幅素子では、電流がＩ₁を超えても、電流の増加に伴って利得が単調増加するのに対して、本実施形態では、多モード導波路６０３の利得をＧ₀にクランプさせることができる。この時、信号光の利得Ｇ₀は、
Ｇ₀＝Ｇ_latera×Ｌ_MMI／Ｗ ・・・（４）
で与えられる。ここで、信号光の利得Ｇ₀は、（１）、（３）式を用いることにより、
Ｇ₀＝−１０×ｌｏｇ（Ｒ_H）×ｎ_eq×Ｗ／λ ・・・（５）
となる。

そして、電流がＩ₁以上の動作状態、すなわち、多モード導波路６０３の幅方向で発振が生じているために利得がＧ₀にクランプされている状態では、図６の入力信号光６１１の強度が大きくなった場合でも、発振光の強度が減少するだけで光増幅素子内部の発振光と信号光のトータルの光強度は一定に保たれる。このため、光増幅素子内の利得媒質のキャリア密度に変動が生じることはなく、図７に示すように、光増幅素子の利得は一定に保たれる。この結果、入力信号光６１１の波長多重数が変化した場合においても、利得変動を抑制することができ、波長多重光伝送システムを安定に動作させることができる。

このような動作を実現するためには、上述した（１）式の条件以外にも、光増幅素子の構造パラメータの間で満たさなければならない条件がある。図６の光増幅素子では、信号光の伝播方向に対しては進行波型の増幅が行われ、多モード導波路６０３の幅方向にはレーザ発振が行われる。このため、高反射膜６０９、６１０の反射率Ｒ_H、多モード導波路６０３の幅Ｗおよび長さＬ、反射防止膜４０７、４０８の反射率Ｒ_ARとの関係は、以下のように説明される。
ここで、クランプされた単位長さ当たりの利得をＧ_clamp（ｄＢ）とすると、多モード導波路６０３の幅方向で発振が生じる条件は以下の（６）式で与えられる。
Ｇ_lateral＝Ｇ_clamp×Ｗ＝−１０×ｌｏｇ（Ｒ_H） ・・・（６）

一方、信号光の伝播方向で発振が生じないようにするためには、反射防止膜４０７、４０８での反射によるキャビティ内反射損失が信号利得Ｇ_Signalよりも大きいことが必要である。反射防止膜４０７、４０８での反射によるキャビティ内反射損失は１０×ｌｏｇ（Ｒ_AR）で表されるため、信号光の伝播方向で発振が生じない条件は以下の（７）式で与えられる。
Ｇ_Signal＝Ｇ_Clamp×Ｌ＜−１０×ｌｏｇ（Ｒ_AR） ・・・（７）

そして、（６）、（７）式からＧ_Clampを消去すると、以下の（８）式が得られる。
Ｌ×ｌｏｇ（Ｒ_H）＞Ｗ×ｌｏｇ（Ｒ_AR） ・・・（８）
そして、（８）式に（１）式を代入すると、以下の（９）式が得られる。
ｍ・ｎ_eq・Ｗ×ｌｏｇ（Ｒ_H）＞λ×ｌｏｇ（Ｒ_AR） ・・・（９）
（９）式から、高反射膜６０９、６１０の反射率Ｒ_Hが与えられた時に信号光の伝播方向で発振が生じないようにするための多モード導波路６０３の幅Ｗを求めることができる。

例えば、図６の構成において、多モード導波路６０３の幅Ｗ＝２０μｍ、多モード導波路６０３の等価屈折率ｎ_eq＝３．２４、入力信号光４１１の波長λ＝１．５５μｍ、ｍ＝１、高反射膜６０９、６１０の反射率Ｒ_H＝０．９、反射防止膜４０７、４０８の反射率Ｒ_AR＝０．００１であるとすると、
（９）式の左辺＝１×３．２４×２０×ｌｏｇ（０．９）＝−２．９７
（９）式の右辺＝１．５５×ｌｏｇ（０．００１）＝−４．６５
となり、（９）式の条件を満たすことから、信号光の伝播方向で発振が生じないようにすることができる。

ここで、図６の高反射膜６０９、６１０の反射率Ｒ_H＝０．８であるとすると、（３）式から、多モード導波路６０３の幅方向の発振しきい値利得Ｇ_lateralは０．９７ｄＢとなる。そして、高反射膜６０９、６１０の反射率Ｒ_H＝０．８の場合において、多モード導波路６０３の単位長さ当たりの利得が、高反射膜６０９、６１０の反射率Ｒ_H＝０．９の場合と同じ０．４６ｄＢ／２０μｍで発振を生じさせるものとすると、多モード導波路６０３の幅Ｗは０．９７／（０．４６／２０）＝４２μｍとなる。そして、この場合には、
（９）式の左辺＝１×３．２４×４２×ｌｏｇ（０．８）＝−１３．２＜右辺
となり、（９）式の条件を満たさなくなる。これは、多モード導波路６０３の幅Ｗが約２倍になったために、（１）式で与えられる自己結像効果の生じる多モード導波路６０３の長さＬが約４倍になり、信号光に対する利得が大きくなった結果、多モード導波路６０３の幅方向で発振が生じる前に信号光の伝播方向で発振が生じるためである。

一方、図１の構成において、信号光の伝播について考えると、利得を持たない多モード導波路４０３ａを長さＬ_p1だけ伝播した後、利得を持つ多モード導波路４０３ｂを長さＬ₀だけ伝播し、利得を持たない多モード導波路４０３ｃを長さＬ_p2だけ伝播する。ここで、多モード導波路４０３ａ〜４０３ｃの等価屈折率をそれぞれｎ_eqa、ｎ_eqb、ｎ_eqcとすると、多モード導波路４０３ａ〜４０３ｃ全体を伝播した信号光の感じる平均的な等価屈折率ｎ_eq0は、
（ｎ_eqa×Ｌ_p1＋ｎ_eqb×Ｌ₀＋ｎ_eqc×Ｌ_p2）／（Ｌ_p1＋Ｌ₀＋Ｌ_p2）
となる。このため、等価屈折率ｎ_eq0を（１）式に代入して求めた多モード導波路４０３ａ〜４０３ｃの全体の長さＬ_MMIが以下の（１０）式を満たせば、多モード導波路４０３ａ〜４０３ｃ全体で多モード干渉素子が形成され、入力導波路４０２から入射した入力信号光４１１が自己結像効果により出力導波路４０４に導かれるようにすることができる。
Ｌ_MMI＝Ｌ_p1＋Ｌ₀＋Ｌ_p2 ・・・（１０）

一方、多モード導波路４０３ａ、４０３ｃは利得を持たないため、信号光に対する利得は、多モード導波路４０３ｂの単位長さ当たりの利得Ｇ_Clampに多モード導波路４０３ｂの長さＬ₀を乗じた値Ｇ_Clamp×Ｌ₀となる。このため、反射手段４０９、４１０の反射率Ｒ_Hが与えられた時に信号光の伝播方向で発振が生じないようにするための条件としては、（８）式のＬをＬ₀で置き換えた以下の（８）´式を満たせばよい。
Ｌ₀×ｌｏｇ（Ｒ_H）＞Ｗ₁×ｌｏｇ（Ｒ_AR） ・・・（８）´

このため、多モード導波路４０３ｂの長さＬ₀と幅Ｗ₁との間には（１）式は成り立つ必要はなく、（１０）式の多モード導波路４０３ａ〜４０３ｃ全体の長さＬ_MMIと幅Ｗ₁との間に（１）式が成り立てばよい。また、多モード導波路４０３ａ〜４０３ｃ全体の長さＬ_MMIと多モード導波路４０３ｂの長さＬ₀との関係も（１０）式からＬ_MMI≧Ｌ₀の関係を満たせばよいため、反射手段４０９、４１０の反射率Ｒ_Hに合わせて多モード導波路４０３ｂの幅Ｗ₁を決めた後、モード導波路４０３ｂの幅Ｗ₁とは独立に（８）´式を満たすように多モード導波路４０３ｂの長さＬ₀を決めることにより、所望の利得クランプ動作を実現することができる。

例えば、図１の構成において、反射手段４０９、４１０の反射率Ｒ_H＝０．８とし、多モード導波路４０３ｂの単位長さ当たりの利得が、反射手段４０９、４１０の反射率Ｒ_H＝０．９の場合と同じ０．４６ｄＢ／２０μｍで発振を生じさせるものとする。この場合、多モード導波路４０３ｂの幅Ｗは０．９７／（０．４６／２０）＝４２μｍとなり、多モード導波路４０３ｂの長さＬ₀＝８３６μｍとすると、（８）´式の条件を満たすことから、信号光の伝播方向で発振が生じないようにすることができる。この場合、多モード導波路４０３ａ〜４０３ｃの等価屈折率ｎ_eqa、ｎ_eqb、ｎ_eqcはそれぞれ３．２２、３．２４、３．２２とすると、平均的な等価屈折率ｎ_eq0は３．２２４となる。そして、多モード導波路４０３ａ〜４０３ｃ全体の長さＬ_MMIは（１）式より３６６９μｍとなる。そして、（８）´式の条件を満たすように多モード導波路４０３ｂの長さＬ₀＝８３６μｍとしたため、多モード導波路４０３ａ、４０３ｃの長さＬ_p1、Ｌ_p2はそれぞれ１４１６μｍとすることができる。

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

また、導波路構造に関しても、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造を用いるようにしてもよい。さらに、基板に関しても、ｎ型基板に限定されることなく、ｐ型基板または半絶縁性基板を用いるようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、多モード導波路４０３ｂ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４０３ｂのコアまたはクラッドの一部に利得媒質を設けるようにしてもよい。また、上述した実施形態では、ｍ＝１の場合について説明したが、ｍは１以上の任意の整数でもよい。

図８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である。
図８において、ｎ−ＩｎＰ基板８０１上には、多モード導波路８０３ｄに接続され、入力信号光８１１を入力する入力導波路８０２、利得を持ち信号光を導波させる複数の多モード導波路８０３ａ〜８０３ｃ、多モード導波路８０３ａの前後段にそれぞれ接続され、利得を持たない多モード導波路８０３ｄ、８０３ｅ、多モード導波路８０３ｂの前後段にそれぞれ接続され、利得を持たない多モード導波路８０３ｆ、８０３ｇ、多モード導波路８０３ｃの前後段にそれぞれ接続され、利得を持たない多モード導波路８０３ｈ、８０３ｉ、多モード導波路８０３ｅ、８０３ｆを互いに接続する接続導波路８１３ａ、多モード導波路８０３ｇ、８０３ｈを互いに接続する接続導波路８１３ｂ、多モード導波路８０３ｉに接続され、出力信号光８１２を出力する出力導波路８０４が形成されている。

ここで、入力導波路８０２および出力導波路８０４は、入力信号光８１１の波長に対して透明なＩｎＧａＡｓＰをコアとしたシングルモード導波路から構成することができ、多モード導波路８０３ａ〜８０３ｃは、ＩｎＧａＡｓＰをコアとした利得媒質からなる多モード導波路から構成することができ、接続導波路８１３ａ、８１３ｂは、入力信号光８１１の波長に対して透明なＩｎＧａＡｓＰをコアとしたシングルモード導波路から構成することができる。さらに、多モード導波路８０３ｄ、８０３ｅ、８０３ｆ、８０３ｇ、８０３ｈ、８０３ｉは、信号光波長に対して透明なＩｎＧａＡｓＰをコアとした多モード導波路から構成することができる。

また、入力導波路８０２、多モード導波路８０３ａ〜８０３ｃ、接続導波路８１３ａ、８１３ｂおよび出力導波路８０４は導波路中心軸が互いに一致するようにｎ−ＩｎＰ基板８０１上に並べて配置することができる。また、各多モード導波路８０３ａ〜８０３ｃの長さＬは、（１）式の関係を満たすように設定することができる。また、各多モード導波路８０３ａ〜８０３ｃの幅Ｗは、複数モードの光が伝搬されるように設定することができ、入力導波路８０２、接続導波路８１３ａ、８１３ｂおよび出力導波路８０４の幅は、単一モードの光が伝搬されるように設定することができる。

また、入力導波路８０２側のｎ−ＩｎＰ基板８０１の端面８０５には反射防止膜８０７が形成されるとともに、出力導波路８０４側のｎ−ＩｎＰ基板８０１の端面８０６には反射防止膜８０８が形成されている。さらに、多モード導波路８０３ａの両脇には、多モード導波路８０３ａ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反射手段８０９ａ、８１０ａが対向配置され、多モード導波路８０３ｂの両脇には、多モード導波路８０３ｂ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反射手段８０９ｂ、８１０ｂが対向配置され、多モード導波路８０３ｃの両脇には、多モード導波路８０３ｃ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反射手段８０９ｃ、８１０ｃが対向配置されている。

図９は、図８のＡ−Ａ´線で切断した光増幅素子の構成例を示す断面図である。
図９において、ｎ−ＩｎＰ基板９０１上には、ＩｎＧａＡｓＰ入力導波路コア層９０２、ＩｎＧａＡｓＰ活性層９０３ａ〜９０３ｃ、ＩｎＧａＡｓＰ接続導波路コア層９０９ａ、９０９ｂおよびＩｎＧａＡｓＰ出力導波路コア層９０４が形成されている。ここで、ＩｎＧａＡｓＰ活性層９０３ａは、ＩｎＧａＡｓＰ入力導波路コア層９０２とＩｎＧａＡｓＰ接続導波路コア層９０９ａとの間に配置され、ＩｎＧａＡｓＰ活性層９０３ｂは、ＩｎＧａＡｓＰ接続導波路コア層９０９ａ、９０９ｂ間に配置され、ＩｎＧａＡｓＰ活性層９０３ｃは、ＩｎＧａＡｓＰ接続導波路コア層９０９ｂとＩｎＧａＡｓＰ出力導波路コア層９０４との間に配置されている。

なお、ＩｎＧａＡｓＰ活性層９０３ａ〜９０３ｃの幅は、複数モードの光が伝搬されるように設定することができ、ＩｎＧａＡｓＰ活性層９０３ａ〜９０３ｃの幅は、例えば、２０μｍに設定することができる。
そして、ＩｎＧａＡｓＰ入力導波路コア層９０２、ＩｎＧａＡｓＰ活性層９０３ａ〜９０３ｃ、ＩｎＧａＡｓＰ接続導波路コア層９０９ａ〜９０９ｂおよびＩｎＧａＡｓＰ出力導波路コア層９０４上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層９０５が形成されている。ここで、ｎ−ＩｎＰ基板９０１とｐ−ＩｎＰクラッド層９０５との間にＩｎＧａＡｓＰ活性層９０３ａ〜９０３ｃを形成することにより、ＩｎＧａＡｓＰ活性層９０３ａ〜９０３ｃをコアとした利得媒質からなる多モード導波路９０３ａ〜９０３ｃをそれぞれ構成することができる。

そして、ｐ−ＩｎＰクラッド層９０５上にはｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層９０６ａ〜９０６ｃが形成されている。ここで、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層９０６ａ〜９０６ｃは、ＩｎＧａＡｓＰ活性層９０３ａ〜９０３ｃにそれぞれ対応するように分割して配置されている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層９０６ａ〜９０６ｃ上にはｐ側電極９０７ａ〜９０７ｃがそれぞれ形成され、ｎ−ＩｎＰ基板９０１の裏面にはｎ側電極９０８が形成されている。

ここで、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層９０６ａ〜９０６ｃおよびｐ側電極９０７ａ〜９０７ｃをそれぞれ分割することにより、ＩｎＧａＡｓＰ活性層９０３ａ〜９０３ｃに効率よく電流を注入することが可能となるとともに、ＩｎＧａＡｓＰ入力導波路コア層９０２、ＩｎＧａＡｓＰ接続導波路コア層９０９ａ〜９０９ｂおよびＩｎＧａＡｓＰ出力導波路コア層９０４に電流が注入されることを抑制することができ、フリーキャリア吸収損失を低減させることができる。

そして、図８において、入力導波路８０２に入射した入力信号光８１１は、入力導波路８０２を伝搬して多モード導波路８０３ｄ、８０３ａ、８０３ｅに順次入射される。そして、入力信号光８１１が多モード導波路８０３ｄ、８０３ａ、８０３ｅに入射すると、多モード導波路８０３ｄ、８０３ａ、８０３ｅ内の複数の伝搬モードが励振され、それぞれの伝搬定数により決定される位相条件で多モード導波路８０３ｄ、８０３ａ、８０３ｅ内を伝搬する。そして、多モード導波路８０３ｄ、８０３ａ、８０３ｅ内を伝搬した光は、接続導波路８１３ａに入射し、接続導波路８１３ａを伝搬した後、多モード導波路８０３ｆ、８０３ｂ、８０３ｇに順次入射する。そして、多モード導波路８０３ｆ、８０３ｂ、８０３ｇに入射した信号光は、多モードに展開されながら多モード導波路８０３ｆ、８０３ｂ、８０３ｇを伝搬し、接続導波路８１３ｂに入射する。そして、接続導波路８１３ｂに入射した信号光は、接続導波路８１３ｂを伝搬した後、多モード導波路８０３ｈ、８０３ｃ、８０３ｉに順次入射し、多モードに展開されながら多モード導波路８０３ｈ、８０３ｃ、８０３ｉを伝搬する。そして、多モード導波路８０３ｈ、８０３ｃ、８０３ｉを伝搬した信号光は、出力導波路８０４に入射し、出力導波路８０４を伝搬した後、出力信号光８１２として端面８０６から出射される。

なお、（１）式の関係を満たすように、多モード導波路８０３ｄ、８０３ａ、８０３ｅ、多モード導波路８０３ｆ、８０３ｂ、８０３ｇおよび多モード導波路８０３ｈ、８０３ｃ、８０３ｉの長さＬをそれぞれ設定することにより、多モード導波路８０３ｄ、８０３ａ、８０３ｅ、多モード導波路８０３ｆ、８０３ｂ、８０３ｇおよび多モード導波路８０３ｈ、８０３ｃ、８０３ｉ内を伝搬した信号光を、接続導波路８１３ａ、８１３ｂおよび出力導波路８０４の基本モードにそれぞれ結合させることができ、多モード導波路８０３ｄ、８０３ａ、８０３ｅ、多モード導波路８０３ｆ、８０３ｂ、８０３ｇおよび多モード導波路８０３ｈ、８０３ｃ、８０３ｉと接続導波路８１３ａ、８１３ｂおよび出力導波路８０４との間の結合損失を低減させることができる。

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

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

さらに、利得を持つように構成された多モード導波路８０３ａ〜８０３ｃの前後段には、利得を持たないように構成された多モード導波路８０３ｄ、８０３ｅ、８０３ｆ、８０３ｇ、８０３ｈ、８０３ｉがそれぞれ設けられている。このため、発振が生じる方向の選択性を向上させることができ、信号光の導波方向と直交する方向に導波する発振光の利得の低下を抑制しつつ、信号光の導波方向の利得を低下させることができる。このため、反射手段８０９ａ、８１０ａ、８０９ｂ、８１０ｂ、８０９ｃ、８１０ｃの反射率が小さい場合においても、信号光の導波方向と異なる方向に発振が生じる前に信号光の導波方向で発振が生じることを防止することができ、信号光の導波方向と異なる方向に発振光を導波させつつ、信号光の利得をクランプさせることができる。

すなわち、図８の構成においても、反射手段８０９ａ、８１０ａ、８０９ｂ、８１０ｂ、８０９ｃ、８１０ｃの反射率Ｒ_Hが与えられた時に信号光の伝播方向で発振が生じないようにするためには、（９）式が成り立つ必要はない。各利得領域におけるクランプ利得を足した値が全体の信号光の利得となることを考慮すると、（６）式および（７）式は以下の（６）´式および（７）´式で置き換えられる。ただし、添え字のｉはｉ番目の利得領域を示す。
Ｇ_lateral＝Ｇ_clamp-i×Ｗ_i＝−１０×ｌｏｇ（Ｒ_Hi） ・・・（６）´

ここで、（６）´式および（７）´式からＧ_clamp-iを消去すると、以下の（８）´式が得られる。

そして、図８の構成では、反射手段８０９ａ、８１０ａ、８０９ｂ、８１０ｂ、８０９ｃ、８１０ｃの反射率Ｒ_Hが与えられた時に信号光の伝播方向で発振が生じないようにするためには、（８）´式を持たすように多モード導波路８０３ａ〜８０３ｃの幅Ｗ_iを設定すればよい。

また、上述した実施形態では、接続導波路８１３ａ、８１３ｂおよび出力導波路８０４が、入力信号光８１１の波長に対して透明な材質をコアとしたシングルモード導波路から構成されている。このため、多モード導波路８０３ａ〜８０３ｃにて増幅された信号光が接続導波路８１３ａ、８１３ｂおよび出力導波路８０４にそれぞれ集光された状態で入射し、光パワー密度が高くなった場合においても、利得飽和による波形劣化を防止することができる。また、入力導波路８０２、接続導波路８１３ａ、８１３ｂおよび出力導波路８０４を、入力信号光８１１の波長に対して透明な材質をコアとしたシングルモード導波路から構成することにより、入力導波路８０２、接続導波路８１３ａ、８１３ｂおよび出力導波路８０４に電流注入する必要がなくなり、駆動電流を低減することができる。

なお、上述した実施形態では、入力導波路８０２、接続導波路８１３ａ、８１３ｂおよび出力導波路８０４の全てを入力信号光８１１の波長に対して透明な材質を用いて構成する方法について説明したが、必ずしも入力導波路８０２、接続導波路８１３ａ、８１３ｂおよび出力導波路８０４の全てを入力信号光８１１の波長に対して透明な材質を用いて構成する必要はなく、入力導波路８０２、接続導波路８１３ａ、８１３ｂおよび出力導波路８０４のいずれかを入力信号光９１１の波長に対して透明な材質を用いて構成するようにしてもよい。例えば、電流を低減したい場合には、入力導波路８０２、接続導波路８１３ａ、８１３ｂおよび出力導波路８０４の全てを入力信号光８１１の波長に対して透明な材質を用いて構成する方法が効果的であるが、ＮＦをより重視する場合には、入力導波路８０２は入力信号光８１１の波長に対して利得を有する材質を用いて構成する方がよい。

また、多モード導波路８０３ａ〜８０３ｃ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８０３ａ〜８０３ｃのコアまたはクラッドの一部に利得媒質を設けるようにしてもよい。また、図６の実施形態でも、導波路の構成、コア層もしくは利得媒質の組成および構造、ＳＣＨ構造の有無などは、図１の実施形態と同様に様々な変形を施すことができる。

また、上述した実施形態では、ｍ＝１の場合について説明したが、各多モード導波路８０３ａ〜８０３ｃの長さはそれぞれ独立に（１）式を満たせばよく、ｍ＝１に限定されない。例えば、多モード導波路８０３ａではｍ＝２、多モード導波路８０３ｂではｍ＝１、多モード導波路８０３ｃではｍ＝４とするようにしてもよく、多モード導波路８０３ａ〜８０３ｃごとに任意の整数ｍを用いた場合にも本発明の効果が期待できる。さらに、上述した実施形態では、多モード導波路８０３ａ〜８０３ｃを３段接続する方法について説明したが、３段に限定されることなく、ｎ（ｎは正の整数）段構成なら何段でもよい。

図１０は、本発明の第３実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す平面図である。
図１０において、ｎ−ＩｎＰ基板１００１上には、入力信号光１０１１を入力する入力導波路１００２、入力信号光１０１１を分岐する分岐回路１０１３、分岐回路１０１３にて分岐された入力信号光１０１１をそれぞれ並列に導波させる多モード導波路１００３ａ、１００３ｂ、多モード導波路１００３ａ、１００３ｂをそれぞれ伝播した信号光を合波する合波回路１０１４、出力信号光１０１２を出力する出力導波路１００４が、信号光の伝播方向に沿って順次形成されている。

ここで、入力導波路１００２および出力導波路１００４は、信号光波長に対して利得を有するＩｎＧａＡｓＰをコアとしたシングルモード導波路から構成することができ、多モード導波路１００３ａ、１００３ｂ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、分岐回路１０１３および合波回路１０１４は、利得飽和を防止するため、信号光に対して利得を持たない透明な組成のコア層を用いることが好ましい。また、各多モード導波路１００３ａ、１００３ｂの長さＬ_MMIは、（１）式の関係を満たすように設定することができる。また、入力導波路１００２側のｎ−ＩｎＰ基板１００１の端面１００５には反射防止膜１００７が形成されるとともに、出力導波路１００４側のｎ−ＩｎＰ基板１００１の端面１００６には反射防止膜１００８が形成されている。さらに、多モード導波路１００３ａ、１００３ｂの外側の脇には、多モード導波路１００３ａ、１００３ｂ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反射手段１００９、１０１０が対向配置されている。

図１１は、図１０のＡ４−Ａ４´線で切断した光増幅素子の構成例を示す断面図である。
図１１において、図１０多モード導波路１００３ａ、１００３ｂでは、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１１０２ａ、１１０２ｂがストライプ状にｎ−ＩｎＰ基板１１０１上に並列に形成されている。なお、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１１０２ａ、１１０２ｂの幅は、複数モードの光が伝播されるように設定することができる。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１１０２ａ、１１０２ｂの両側は、ｎ−ＩｎＰ基板１１０１上に順次積層されたｐ−ＩｎＰ電流ブロック層１１０３およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層１１０４にてそれぞれ埋め込まれている。ここで、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層１１０３およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層１１０４にてＩｎＧａＡｓＰ活性層１１０２ａ、１１０２ｂの両側をそれぞれ埋め込むことにより、埋め込みヘテロ構造を構成することができる。

そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１１０２ａ、１１０２ｂおよびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層１１０４上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層１１０５が形成されている。ここで、ｎ−ＩｎＰ基板１１０１とｐ−ＩｎＰクラッド層１１０５との間にＩｎＧａＡｓＰ活性層１１０２ａ、１１０２ｂを形成することにより、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１１０２ａ、１１０２ｂをコアとした利得媒質からなる多モード導波路１１０３ａ、１１０３ｂをそれぞれ構成することができる。

そして、ｐ−ＩｎＰクラッド層１１０５上には、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１１０２ａ、１１０２ｂにそれぞれ対応するようにｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１１０６ａ、１１０６ｂが形成されている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１１０６ａ、１１０６ｂ上にはｐ側電極１１０７ａ、１１０７ｂがそれぞれ形成され、ｎ−ＩｎＰ基板１１０１の裏面にはｎ側電極１１０８が形成されている。また、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層１１０３、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層１１０４、ｐ−ＩｎＰクラッド層１１０５およびｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１１０６はメサ状にエッチングされ、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層１１０３、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層１１０４、ｐ−ＩｎＰクラッド層１１０５およびｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１１０６の側壁が露出されている。そして、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層１１０３、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層１１０４、ｐ−ＩｎＰクラッド層１１０５およびｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１１０６の側壁には、入力信号光１０１１の伝搬方向に沿うようにして高反射膜１１０９、１１１０が形成されている。なお、高反射膜１１０９、１１１０としては、例えば、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂などの誘電体多層膜またはＡｕなどの金属膜または半導体の周期構造を用いることができる。

なお、図１０のＢ４−Ｂ４´線で切断した光増幅素子の構成は、図６のＢ２−Ｂ２´線で切断した光増幅素子と同様の構成をとることができる。
そして、図１０において、入力導波路１００２に入射した入力信号光１０１１は、分岐回路１０１３にて分岐され、多モード導波路１００３ａ、１００３ｂに入射される。そして、分岐回路１０１３にて分岐された入力信号光１０１１が多モード導波路１００３ａ、１００３ｂに入射すると、入力信号光１０１１は多モード導波路路１００３ａ、１００３ｂにおける固有モードにそれぞれ展開される。ここで、（１）式の関係を満たすように、多モード導波路１００３ａ、１００３ｂの長さＬ_MMIをそれぞれ設定することにより、多モード導波路１００３ａ、１００３ｂ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１００３ａ、１００３ｂ内を長さＬ_MMIだけ伝搬した信号光は、合波回路１０１４にて合波されてから出力導波路１００４に入射し、出力信号光１０１２として端面１００６から出射される。ここで、多モード導波路１００３ａ、１００３ｂのコアは利得媒質を含むため、入力信号光１０１１は、多モード導波路１００３ａ、１００３ｂを伝搬するに従って増幅され、増幅された出力信号光１０１２を得ることができる。また、分岐回路１０１３、多モード導波路１００３ａ、１００３ｂおよび合波回路１０１４は対称マッハツェンダー干渉計を構成し、多モード導波路１００３ａ、１００３ｂをそれぞれ経由して合波回路１０１４に入射する信号光の位相が互いに揃うように調整することにより、多モード導波路１００３ａ、１００３ｂをそれぞれ伝播した信号光を損失なく合波させることができる。なお、入力信号光１０１１は２個の多モード導波路１００３ａ、１００３ｂに分かれて増幅されるため、多モード導波路１００３ａ、１００３ｂにおいて見かけ上パワーは半分になっている。そして、多モード導波路１００３ａ、１００３ｂにおいてそれぞれ飽和出力まで増幅された場合には、合波回路１０１４にて損失なく合波されるため、図６の構成に比べ飽和出力を２倍にすることができる。

一方、多モード導波路１００３ａ、１００３ｂ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１００３ａ、１００３ｂの外側の脇に配置された反射手段１００９、１０１０にて反射させることにより、入力信号光１０１１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１０１１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１００３ａ、１００３ｂ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１００３ａ、１００３ｂ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。

さらに、複数の多モード導波路１００３ａ、１００３ｂを並列に配置することにより、多モード導波路１００３ａ、１００３ｂの幅方向で発振を起こさせるために必要な個々の多モード導波路１００３ａ、１００３ｂの幅Ｗを小さくすることができる。このため、信号光の導波方向と直交する方向に導波する発振光の利得の低下を抑制しつつ、信号光の導波方向の利得を低下させることができ、反射手段４０９、４１０の反射率が小さい場合においても、信号光の導波方向と異なる方向に発振が生じる前に信号光の導波方向で発振が生じることを防止することができる。この結果、信号光の導波方向と異なる方向に発振光を導波させつつ、多モード導波路１００３ａ、１００３ｂでの発振作用により信号光の利得をクランプさせることができ、出力導波路４０２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、光増幅素子に要求される構成要件を緩和することができる。

すなわち、図１０の構成においても、反射手段１００９、１１１０の反射率Ｒ_Hが与えられた時に信号光の伝播方向で発振が生じないようにするためには、（９）式が成り立つ必要はない。多モード導波路１００３ａ、１００３ｂを並列に並べた場合に、発振時の幅方向のクランプ利得は、以下の（６）´´式で与えられる。
Ｇ_lateral＝Ｇ_clamp×Ｗ×ｐ＝−１０×ｌｏｇ（Ｒ_H） ・・・（６）´´
ただし、ｐは多モード導波路１００３ａ、１００３ｂの並列数で、図１０の例ではｐ＝２である。

ここで、（６）´´式および（７）´式からＧ_clampを消去すると、以下の（８）´´´式が得られる。
Ｌ×ｌｏｇ（Ｒ_H）＞Ｗ×ｐ×ｌｏｇ（Ｒ_AR） ・・・（８）´´´
そして、（８）´´´式に（１）式を代入すると、以下の（９）´´式が得られる。
ｍ・ｎ_eq・Ｗ×ｌｏｇ（Ｒ_H）＞ｐ×λ×ｌｏｇ（Ｒ_AR） ・・・（９）´´
（９）´´式から、反射手段１００９、１１１０の反射率Ｒ_Hが与えられた時に信号光の伝播方向で発振が生じないようにするための多モード導波路１００３ａ、１００３ｂの幅Ｗをそれぞれ求めることができる。

例えば、図１０の反射手段１００９、１１１０の反射率Ｒ_H＝０．８の場合において、多モード導波路１００３ａ、１００３ｂの単位長さ当たりの利得が、図６の高反射膜６０９、６１０の反射率Ｒ_H＝０．９の場合と同じ０．４６ｄＢ／２０μｍで発振を生じさせるものとすると、多モード導波路１００３ａ、１００３ｂの幅方向の発振は多モード導波路１００３ａ、１００３ｂを横切って行われるため、多モード導波路１００３ａ、１００３ｂ全体で０．９７／（０．４６／２０）＝４２μｍの幅を持てばよい。ここで、図１０の構成では、多モード導波路１００３ａ、１００３ｂが２個並列に配置されているため、個々の多モード導波路１００３ａ、１００３ｂの幅は１／２×４２μｍ＝２１μｍでよい。

具体的には、反射手段１００９、１０１０の反射率Ｒ_H＝０．９、反射防止膜１００７、１００８の反射率Ｒ_AR＝０．００１、多モード導波路１００３ａ、１００３ｂの幅Ｗ＝２１μｍ、多モード導波路１００３ａ、１００３ｂの等価屈折率ｎ_eq＝３．２４、入力信号光１０１１の波長λ＝１．５５μｍ、ｍ＝１、Ｐ＝２であるため、
（９）´´式の左辺＝１×３．２４×２１×ｌｏｇ（０．８）＝−６．５９
（９）´´式の右辺＝２×１．５５×ｌｏｇ（０．００１）＝−９．３
となり、（９）´´式の条件を満たすことから、信号光の伝播方向で発振が生じないようにすることができる。

なお、図１０の実施形態では、多モード導波路１００３ａ、１００３ｂを２個並列に並べる方法について説明したが、多モード導波路の並列数ｐは２以上の整数であれば、いくつでもよい。
また、図１０の実施形態では、多モード導波路１００３ａ、１００３ｂ全体が利得を持つようにしてもよいし、利得を持つ領域と利得を持たない領域とから多モード導波路１００３ａ、１００３ｂをそれぞれ構成するようにしてもよい。

図１２は、本発明の第４実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す平面図である。
図１２において、ｎ−ＩｎＰ基板１２０１上には、入力信号光１２１１ａ、１２１１ｂをそれぞれ入力する入力導波路１２０２ａ、１２０２ｂ、入力導波路１２０２ａ、１２０２ｂにそれぞれ入力された入力信号光１２１１ａ、１２１１ｂをそれぞれ並列に導波させる多モード導波路１２０３ａ、１２０３ｂ、多モード導波路１２０３ａ、１２０３ｂをそれぞれ伝播した信号光を出力信号光１２１２ａ、１２１２ｂとしてそれぞれ出力する出力導波路１２０４ａ、１２０４ｂが、信号光の伝播方向に沿って順次形成されている。

ここで、入力導波路１２０２ａ、１２０２ｂおよび出力導波路１２０４ａ、１２０４ｂは、信号光波長に対して利得を有するＩｎＧａＡｓＰをコアとしたシングルモード導波路から構成することができ、多モード導波路１２０３ａ、１２０３ｂ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、各多モード導波路１２０３ａ、１２０３ｂの長さＬ_MMIは、（１）式の関係を満たすように設定することができる。また、入力導波路１２０２ａ、１２０２ｂ側のｎ−ＩｎＰ基板１２０１の端面１２０５には反射防止膜１２０７が形成されるとともに、出力導波路１２０４ａ、１２０４ｂ側のｎ−ＩｎＰ基板１２０１の端面１２０６には反射防止膜１２０８が形成されている。さらに、多モード導波路１２０３ａ、１２０３ｂの外側の脇には、多モード導波路１２０３ａ、１２０３ｂ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反射手段１２０９、１２１０が対向配置されている。

そして、入力導波路１２０２ａ、１２０２ｂにそれぞれ入射した入力信号光１２１１ａ、１２１１ｂは、多モード導波路１２０３ａ、１２０３ｂにそれぞれ入射され、多モード導波路路１２０３ａ、１２０３ｂにおける固有モードにそれぞれ展開される。ここで、（１）式の関係を満たすように、多モード導波路１２０３ａ、１２０３ｂの長さＬ_MMIをそれぞれ設定することにより、多モード導波路１２０３ａ、１２０３ｂ内をそれぞれ伝搬する信号光を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１２０３ａ、１２０３ｂ内を長さＬ_MMIだけ伝搬した信号光は、出力導波路１２０４ａ、１２０４ｂにそれぞれ入射し、出力信号光１２１２ａ、１２１２ｂとして端面１２０６からそれぞれ出射される。ここで、多モード導波路１２０３ａ、１２０３ｂのコアは利得媒質を含むため、入力信号光１２１１ａ、１２１１ｂは、多モード導波路１２０３ａ、１２０３ｂを伝搬するに従ってそれぞれ増幅され、増幅された出力信号光１２１２ａ、１２１２ｂをそれぞれ得ることができる。

一方、多モード導波路１２０３ａ、１２０３ｂ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１２０３ａ、１２０３ｂの外側の脇に配置された反射手段１２０９、１２１０にて反射させることにより、入力信号光１２１１ａ、１２１１ｂ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１２１１ａ、１２１１ｂ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１２０３ａ、１２０３ｂ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１２０３ａ、１２０３ｂ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。

さらに、複数の多モード導波路１２０３ａ、１２０３ｂを並列に配置することにより、多モード導波路１２０３ａ、１２０３ｂの幅方向で発振を起こさせるために必要な個々の多モード導波路１２０３ａ、１２０３ｂの幅Ｗを小さくすることができる。このため、信号光の導波方向と直交する方向に導波する発振光の利得の低下を抑制しつつ、信号光の導波方向の利得を低下させることができ、反射手段１２０９、１２１０の反射率が小さい場合においても、信号光の導波方向と異なる方向に発振が生じる前に信号光の導波方向で発振が生じることを防止することができる。この結果、信号光の導波方向と異なる方向に発振光を導波させつつ、多モード導波路１２０３ａ、１２０３ｂでの発振作用により信号光の利得をクランプさせることができ、出力導波路１２０４ａ、１２０４ｂ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、光増幅素子に要求される構成要件を緩和することができる。

すなわち、図１２の構成においても、反射手段１２０９、１２１０の反射率Ｒ_Hが与えられた時に信号光の伝播方向で発振が生じないようにするためには、（９）式が成り立つ必要はなく、（９）´´式を満たせばよいため、多モード導波路１２０３ａ、１２０３ｂの幅Ｗおよび反射手段１２０９、１２１０の要求される要件を緩和することができる。
なお、図１２の実施形態では、多モード導波路１２０３ａ、１２０３ｂを２個並列に並べる方法について説明したが、多モード導波路の並列数ｐは２以上の整数であれば、いくつでもよい。
また、図１２の実施形態では、多モード導波路１２０３ａ、１２０３ｂ全体が利得を持つようにしてもよいし、利得を持つ領域と利得を持たない領域とから多モード導波路１２０３ａ、１２０３ｂをそれぞれ構成するようにしてもよい。

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

本発明の第１実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す平面図である。 図１の４１４の部分を拡大して示す平面図である。 図１のＡ１−Ａ１´線で切断した光増幅素子の構成例を示す断面図である。 図１のＤ１−Ｄ１´線で切断した光増幅素子の構成例を示す断面図である。 図１のＡ１−Ａ１´線で切断した光増幅素子のその他の構成例を示す断面図である。 本発明の光増幅素子の動作原理を示す平面図である。 図６の光増幅素子の飽和特性を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す断面図である。 図８のＤ３−Ｄ３´線で切断した光増幅素子の構成例を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す平面図である。 図１０のＡ４−Ａ４´線で切断した光増幅素子の構成例を示す断面図である。 本発明の第４実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す平面図である。 図１３（ａ）は、従来の光増幅素子を光導波方向に沿って切断した断面図、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＡ−Ａ´線で切断した断面図である。 図１３の光増幅素子の飽和特性を示す図である。 図１５（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１５（ｂ）は、図１５（ａ）のＣ−Ｃ´線で切断した断面図である。 図１５の光増幅素子の飽和特性を示す図である。

符号の説明

４０１、５０１、５０１ｂ、６０１、８０１、９０１、１００１、１１０１、１２０１、５００１ ｎ−ＩｎＰ基板
４０２、６０２、８０２、９０２、１００２、１１０２、１２０２ａ、１２０２ｂ 入力導波路
４０３ａ〜４０３ｃ、６０３、８０３ａ〜８０３ｉ、９０３ａ〜９０３ｃ、１００３ａ、１００３ｂ、１１０３ａ〜１１０３ｃ、１２０３ａ、１２０３ｂ 多モード導波路
４０４、６０４、８０４、９０４、１００４、１１０４、１２０４ａ、１２０４ｂ 出力導波路
４０５、４０６、６０５、６０６、８０５、８０６、９０５、９０６、１００５、１００６、１１０５、１１０６、１２０５、１２０６ 端面
４０７、４０８、６０７、６０８、８０７、８０８、９０７、９０８、１００７、１００８、１１０７、１１０８、１２０７、１２０８ 反射防止膜
４０９、４１０、、６０９、６１０、８０９ａ〜８０９ｃ、８１０ａ〜８１０ｃ、９０９、９１０、１００９、１０１０、１１０９、１１１０、１２０９、１２１０ 反射手段
４１１、６１１、８１１、９１１、１０１１、１１１１、１２１１ａ、１２１１ｂ 入力信号光
４１２、６１２、８１２、９１２、１０１２、１１１２、１２１２ａ、１２１２ｂ 出力信号光
４１４ 多モード導波路接続領域
４００１ 信号光
４００２、４００３ 自然放出光
５０２、５０２ｂ、７０２、１００２、１００３ａ〜１００３ｃ、１１０２ａ、１１０２ｂ、１２０２、５００３ ＩｎＧａＡｓＰ活性層
５０３、５０３ｂ、１１０３ ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層
５０４、５０４ｂ、１１０４ ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層
５０５、５０５ｂ、９０５、１００５、１１０５、１２０５、５００５ ｐ−ＩｎＰクラッド層
５０６、５０６ｂ、９０６ａ〜９０６ｃ、１００６ａ〜１００６ｃ、１１０６ａ、１１０６ｂ、１２０６ａ〜１２０６ｃ、５００６ ｐ−ＧａＩｎＡｓキャップ層
５０７、５０７ｂ、９０７ａ〜９０７ｃ、１００７ａ〜１００７ｃ、１１０７ａ、１１０７ｂ、１２０７ａ〜１２０７ｃ、５００７ ｐ側電極
５０８、５０８ｂ、９０８、１００８、１１０８、１２０８、５００８ ｎ側電極
５０９ｂ、５１０ｂ 溝
９０２、９０４、５００２、５００３ ＩｎＧａＡｓＰコア層
８１３ａ、８１３ｂ 接続導波路
９０９ａ、９０９ｂ ＩｎＧａＡｓＰ接続導波路コア層
１０１３ 分岐回路、
１０１４ 合波回路

Claims (5)

1. 信号光を単一モードで伝送する２つの入出力導波路と、該２つの入出力導波路の間で信号光を複数モードで且つ一定の導波路幅で伝送する多モード導波路とを備えた光増幅素子において、
   前記信号光を増幅する利得を持つ利得領域と、前記利得を持たない非利得領域とから前記多モード導波路を構成し、前記利得領域から放出された自然放出光を前記多モード導波路の導波方向と交差する方向に反射する反射領域を前記利得領域の両脇に形成するとともに、前記多モード導波路の導波方向に沿う前記利得領域の長さと前記非利得領域の長さとを合計した長さを前記信号光の自己結像効果が生じる長さとしたことを特徴とする光増幅素子。
2. 前記多モード導波路は、前記２つの入出力導波路の間に複数配置され、前記信号光を単一モードで伝搬する複数の接続導波路により直列に接続されていることを特徴とする請求項１記載の光増幅素子。
3. 前記非利得領域は、前記利得領域の光入射側端面と光出射側端面に隣接して形成されてい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。
4. 信号光を単一モードで伝送する２つの入出力導波路と、該２つの入出力導波路の間で信号光を複数モードで且つ一定の導波路幅で伝送する複数の多モード導波路と、前記２つの入出力導波路のうち一方の入出力導波路から出力された信号光を分岐して前記複数の多モード導波路に入力する光分岐手段と、前記複数の多モード導波路から出力された信号光を合波して前記２つの入出力導波路のうち他方の入出力導波路に出力する光合波手段とを備えた光増幅素子において、
   前記多モード導波路の導波路幅をＷ ₁ 、前記多モード導波路の縦方向の等価屈折率をｎ _eq 、前記信号光の波長をλとしたとき、前記多モード導波路の各長さＬ _i を、Ｌ _i ＝ｍ _i ・ｎ _eq ・Ｗ ₁ ² ／λ（ただし、ｍ _i ：正の整数）を満たす長さに設定するとともに、前記多モード導波路の少なくとも一部を構成する利得媒質から放出された自然放出光を前記多モード導波路の導波方向と交差する方向に反射する２つの反射領域を前記複数の多モード導波路を間に挟んで対向配置したことを特徴とする光増幅素子。
5. 信号光を複数モードで且つ一定の導波路幅で伝送する複数の多モード導波路と、該多モード導波路の各一端に光学的に接続された複数の入力導波路と、該入力導波路に対応して前記多モード導波路の各他端に光学的に接続された複数の出力導波路とを備えた光増幅素子において、
   前記多モード導波路の導波路幅をＷ ₁ 、前記多モード導波路の縦方向の等価屈折率をｎ _eq 、前記信号光の波長をλとしたとき、前記多モード導波路の各長さＬ _i を、Ｌ _i ＝ｍ _i ・ｎ _eq ・Ｗ ₁ ² ／λ（ただし、ｍ _i ：正の整数）を満たす長さに設定するとともに、前記多モード導波路の少なくとも一部を構成する利得媒質から放出された自然放出光を前記多モード導波路の導波方向と交差する方向に反射する２つの反射領域を前記複数の多モード導波路を間に挟んで対向配置したことを特徴とする光増幅素子。

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