JPH03287237A - 光増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えば半導体レーザ構造を有した光増幅器に
関するものである。

［従来の技術］ 従来、一般に半導体光増幅器と言えば、半導体レーザ構
造を備え、閾値以下のバイアス電流を印加して外部から
の人力光に対して光増幅を行なうものを言い、光通信分
野においてはファイバ内或はファイバ間での接続の際に
生じる光損失を補うものとして開発が進められている。

この主、半導体光増幅器は、広い波長域に亙ってゲイン
を有し異なる波長の光に対して同時に光増幅することが
できる為に、波長多重信号の一括増幅に期待されている
。

半導体光増幅器をこの様な波長多重信号の一括増幅に対
し用いる場合、色々な入力光に対して等しくゲインを与
えることが望ましい。しかしながら、従来の半導体光増
幅器では異なる波長の光に対してゲインが異なることが
知られている。このゲインの違いは波長多重光通信など
のシステムを構成する上で有害となる。

例えば、信号光が半導体光増幅器を通過した後では、波
長の異なる各信号間の出力光レベルが異なり、受光系の
ダイナミックレンジを広げる必要が生ずるなどの制約が
付加される。

また逆に、受光系側の制約から、信号光の波長多重度や
波長域などが決定され、システム構成上不利になること
も考えられる。

上記ゲインの波長依存性すなわちゲインスペクトルは主
としてレーザ構造に起因するものである。従って、半導
体レーザ構造の活性層を設計することによってゲインス
ペクトルの設計が行なわれる。

上記の問題点を克服すべくゲインスペクトルを改善する
方法としては、異なる量子井戸を持つ量子井戸構造を光
増幅器に持たせる方法（特開平１−１７９．４８８）や
、直列に並べた２層の活性層を接続してレーザ構造を構
成する方法（米国特許４，６８０．’７６９）があり、
これらの手法はゲインをスペクトル上で重ね合わせて、
任意の波長域（特に広波長域）でのゲインスペクトルの
設計を行なうものである。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、これらの方法は活性層自体をゲインスペ
クトル決定の為のパラメータとする為に、その設計が比
較的複雑となる。例えば、上記特開平１−］、７９．４
８８では電流注入条件を考えて設計しないと所望の効果
は簡単には得られない。また、米国特許４，６８０，７
６９では、２種の活性層の接続は難しく、光学的アライ
メントを十分に考える必要がある。

また、これらの手法は、半導体光増幅器を数１０〜数Ｌ
ＯＯｎｍという広波長域で設計する場合には、有効なも
のとも言い得るが、１種類の活性層のみでもブロードな
ゲインスペクトル分布を持つ場合もあり、比較的狭い波
長域で同等の効果を得ようとすることは必ずしも得策と
は言えない。

また、その場合、上記の如きゲインスペクトルの重ね合
わせによる方法は、返って雑音の増加など他の諸性性の
劣化を引き起こしかねない。

従って、単独の活性層で、または活性層の構成とは独立
に、ゲインスペクトルを改善する手段があれば、活性領
域の特性を劣化させることなくゲインスペクトルが簡易
に設計できることになる。

即ち、この為に、ゲインスペクトルを改善する様な光フ
イルタ機能を半導体光増幅器が有していればよいことに
なる。

半導体光増幅器が光フィルタを内蔵する構成としては、
特開平１．−１８６．６９５や米国特許４７４７．６５
０が存在する。しかし、これらはいずれも、光フィルタ
としては、信号光以外の周辺の波長の光、特に自然放出
光に対し光損失を与えていた。

従って、本発明の目的は、上記課題に鑑み、設計を複雑
とせずまた光増幅領域の特性を劣化させることなく、波
長によるゲイン差のない改善されたゲインスペクトル領
域が得られる様に構成された光増幅器を提供することに
ある。

［課題を解決する為の手段１ 上記目的を達成する為の本発明においては、導波構造を
有し導波光を増幅する為の光増幅領域から、特定の波長
域ないし波長の光を切り離したり吸収することで損失さ
せる光フィルタ領唾ないし波長選択的損失手段を設け、
半導体基板上に形成された活性層構造などから成る光増
幅領域とは独立に、入出力間のトータルのゲインスペク
トルを設計できる様になっている。こうして、所望の波
長域ないし複数の波長に対して、光増幅領域のゲインス
ペクトルを改善して入出力間のゲインスペクトルを略均
等化している。

具体的には、波長選択的損失手段は光増幅領域に直接接
続された主導波路と隣接する副導波路とこれら導波路間
を波長選択的に結合しているプレテイング、方向性結合
器などから成ったり、また光増幅領域に直接接続された
斜めに形成されたグレーティングや光吸収領域などから
成ったりする。

また、光増幅領域と波長選択的損失手段は、導波光の進
行方向に関して、別の位置に分離して設けられても良い
し、重なった同じ位置に設けられても良い。

また、−上記副導波路に結合して分離された光波を入出
力端と孤立させる為に、この副導波路の終端に無反射構
造（吸収の大きな領域、斜めの端面など）が形成されて
も良い。

更に、副導波路部はチャネル導波路であっても良いしス
ラブ導波路であっても良く、また基板上に積層された構
造の積層方向に関して主導波路と異なる位置に積層され
ても良いし、同一積層面内シこ並んで形成されても良い
。

［実施例］ 第１図は本発明の第１実施例の構成を示す断面図、第２
図は第１図の、Ａ　−Ａ　′断面図である。

同図において、ｎ　−Ｇ　ａ　、Ａ　ｓである基板１上
にｎ−ＧａＡｓであるバッファ層２、厚さ１，５７１　
ｒｒｌのｎ　　Ａ　］、　ａｏｓ　Ｇ　ａｏ、ｓ　Ａ　
Ｓである第■クラッド層３、ノンドープＧａＡｓ（井戸
層）とＡ１１１、４　Ｇ　ａ　ｏ、　ａ　Ａ　Ｓ　（障
壁層）とが交互に積層されて多重量子井戸（ＭＱＷ）構
造とされた厚さ０゜４５　ｔｌｍの活性層４、ｐ　　Ａ
　ｌ　ｏ５Ｇ　ａＯ，５Ａ　ｓである第２クラッド層５
が順に成長させられている。ここまでの結晶成長方法は
有機金属気相成長法（ＭＯ−ＣＶＤ法）を用いたが、分
子線エビタキシセル法（ＭＢＥ法）などを用いても良い
。

次に、第２クラッド層５の所定の箇所にフォトリソグラ
フィにより回折格子９を形成する。そして、更に、ｐ−
ＧａＡｓ（井戸層）とｐＡｌ。

５Ｇ　ａ　ｏ５Ａ　Ｓ　（障壁層）とが交互に積層され
てＭＱＷとされた厚さＱ、２１１ｍの先導波路６、厚さ
１．５ｕｍのｐ　　Ａ　１　ｏ、ａ　Ｇ　ａｏ、＋＋　
Ａ　ｓである第３クラッド層７、厚さ０．２μｍのｐ−
ＧａＡＳであるキャップ層８をＭＯ−ＣＶＤ法で形成す
る。

ここで、第２図に示す様に、第１クラッド層３に至るま
で両側をウェットエツチングにより取り除き、この部分
にｎ　　Ａｌｏ、ｓ　Ｇａｏ５Ａｓである埋め込み層ｌ
Ｏとｐ−Ａｌｏ、ｓ　Ｇａｏ、ｓ　Ａｓである埋め込み
層１１を液相エピタキシャル法（ＬＰＥ法）によって成
長させ埋め込み構造とする。

更に、埋め込み層１１上に絶縁層１２をプラズマＣＶＤ
法により形成する。

次に、第１図に示す如く、光入出力部となる部分を先導
波路６付近までウェットエツチングによ１ って取り除く。そしてキャップ層８の上面で且つ光増幅
領域１９とする部分にｐ型電極１３を設け、基板■の裏
面にｎ型電極１４を設ける。

最後に、第１図に示す様に、光入出力部となる面をへき
開により切り出し、この端面にＺｒＯ□膜を尤／４（九
；波長）の膜厚で電子ビーム（ＥＢ）蒸着し、照反射（
ＡＲ）コーテイング膜１５を形成する。

こうして、光フイルタ領域１８と光増幅領域１９を有す
る光増幅器が作製される。

本実施例の動作を説明する。入射光１６は光フアイバ終
端ないしレンズ等で集光されて光増幅器に入力される。

光入力部では先導波路６までが取り除かれているので、
入射光１６は活性層４に効率よく結合される。

活性層４と導波路６の両者が存在する領域では、成立す
るモードは第３図に示す様に、活性層４を中心として成
立する偶モード３０と導波路６を中心として成立する奇
モード３（がある様に設計されている。ここで、縦軸は
電界振幅を示し、横　２ 軸は活性層４からの距離を示す。

そこで、人力光１６は活性層４にビークパワを有する偶
モード３０と結合する。回折格子９が存在しない領域で
は奇モード３１とは殆ど結合せず、よって活性層４で増
幅されながらもう一方の端面まで到達し出力光１７どな
る。

しかし、回折格子９が存在する領域では、奇モード３１
の伝搬定数β。と偶モード３０の伝搬定数β８の間に以
下の関係が成立すれば、光パワーの移行が行なわれる。

βＦ　（几）−〇。（Ｌ）＝２π／Ａ・・・（１）ここ
ではへは回折格子９のピッチである。

移行する光の効率は回折格子９の長さＬに依存し、 η＝ｓｉｎ”　　（（ＩＫＩ２＋Δ２）”２　Ｌ）／（
１＋Δ２／ＩＫ＋２）　　・　・　・　（２）で表わさ
れる。ただし、 Ｋ＝Ｉ　Ｅｅ　Ａｒ　　（Ｘ）Ｅａ　ｄｘΔ＝β８　（
ん）−〇。　（λ）＋２π／Ａである。ここで、Ｅ、、
、Ｅｏは各々偶モード３０、奇モード３１の電界分布を
表わし、Ａ、（ｘ）は回折格子９のフーリエ級数展開の
１次回折光に相当する成分である。

従って、完全結合長Ｌｅ＝π／２にの時、最大の効率と
なり、Ｌ＜π／２にとすることで入力光１６の−・部を
活性層４から導波層６へ移行させることが可能となる。

この導波Ｍ６へ移行した光は増幅されずに出力端まで導
波し出射される。この非増幅光は活性層１７からの出射
光１７と１１出射方向が異なるため５分離して扱うこと
ができる。

よって、波長によるゲイン差のない、即ちゲインスペク
トルが平坦となる光増幅器とするためには、活性層領域
４の固有のゲイン分布のピーク波長の光を連携的に導波
層６へ移行させ、この部分のトータルのゲインを減少さ
せればよいことになる。

第４図に第１実施例におけるゲインスペクトルを示す。

（ａ　）は回折格子９がない場合のゲインスペクトル、
（ｂ）は回折格子９によるパワー移行率、（ｃ）は回折
格子９のある本実施例の示すゲインスペクトルである。

第４図（Ｃ）に示す様なゲインスペクトルを得る為には
、活性層４のゲインスペクトル及び活性層４と光導波層
６の伝搬定数に合わせて回折格子９を適当に設計する必
要がある。回折格子９のピッチＡはゲインスペクトルの
ピーク波長に合わせる様に、前記（１）式を用いて決定
する。また、回折格子９の長さＬはゲイン分布を決定す
るパラメータとして重要であり、Ｌが小さい場合は第４
図（ｃ）に示す平坦化の効果が小さく、■、が完全結合
長Ｌｃに近付くと回折格子９の中心波長付近でゲインの
デイツプが起こる。よって、■、を適当な長さとするこ
とで所望の平坦なゲインが得られることになる。

以上の様に活性層４、回折格子９等を適当に設計するこ
とでゲインが平坦化された波長領域を用いて良好な波長
多重伝送システムが構成できることになる。こうして各
信号間のゲインは略−様となり、受光系側の設計も簡略
化され、また光増幅器を多段化して用いる場合にも段数
や波長多重度５ を余り気にせずにシステムを構成できることになる。

ところで、光増幅器内にグレーティング等を使って光フ
ィルタとする構成は、既述した様に、特開平１−−１８
６，６９５や米国特許４，７４７゜６０５などにあるが
、これらは、信号光に対して働いてゲイン均等化を狙う
本発明の光フィルタとは根本的に設計指針が異なるもの
であり、また、特に、特開平１−１８６，６９５は光損
失を入力端への反射光として与える共振タイプの光フィ
ルタに係り、本発明の光増幅器の様に、光損失として動
く光は増幅作用を受けない様にすると共に入力側への反
射光とならない如く構成するものとは大きく異なる。

従って、特に、本発明の構成は、端面反射率を低く抑え
た進行波型の光増幅器に良く適合しており、進行波型の
特徴である高利得特性が有効に利用できる。

また１本実施例では、光フイルタ領域Ｉ８に電極を設け
ず、光増幅器Ｆｌ　ｌ　９とは全く分離された　６ 構成であったが、光フイルタ領域１８に増幅機能を持た
せても、以上に述べた事１丙はそのまま成立する。むし
ろ、光フイルタ領域１８と光増幅領域１９の電流注入に
よる屈折率差がなくなる点からより好ましい構成と言え
る。

第１実施例において、活性層や導液層の構造をＭＱＷ構
造としたが、勿論、他の如何なる活性層、導波層構造（
例えば、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）、バルク構造）と
しても良い。

更に、１つの導波層、１つの回折格子を用いた構成で説
明したが、導波層、回折格子は層方向、面内方向（特に
光の進行方向に直列に）に複数個設けることも可能であ
る。その設計は、光増幅領域１９が持つゲインスペクト
ルに合わせて適当に行なえば良い。例えば、ゲインスペ
クトルが非対称な場合には、２つの回折格子を用い、夫
々の中心波長をゲイン分布のピーク波長から夫々短波長
側と長波長側に設定し、ゲインのピーク波長では両者の
影響を受ける様にすれば、第■実施例と同様な平坦たゲ
インスペクトルが得られる。

要は、光増幅領域のゲインスペクトルに合わせて、回折
格子や導液層の構造や数などを適当に設計し、所望の波
長域ないし複数の波長において入出力光間のゲインスペ
クトルが均等化される様にすれば良い。

第５図は本実施例の第２実施例を示す。第２実施例では
、入出力端面付近に、回折格子５１のある領域と積層方
向に関して段差を設け、更に回折格子５１をチャープ状
回折格子としている。他の点は第１実施例と同じである
。

入出力間に段差を設けたことで、入力側では人力光■６
の先導波層６への結合を阻止し、活性層４へ有効に光を
結合させられる。出力側では、導波層６に移行した光が
曲がり導波層６により損失を受け、更に導波した光が、
出射端で、活性層４からの出力光１７と位置的に分離さ
れて増幅出力光１７との完全分離が可能となる。

次に、回折格子５１をヂャーブ状にしたことで、ゲイン
スペクトルを任意に設計する為に有効となる。第１実施
例では、平坦化される波長幅は回折格子９の領域長りに
より一意的に決まったが、チャープ状にして回折格子５
１のピッチを変調することで、波長に対するパラメータ
を調整でき、任意の波長幅に亙ってゲインを平坦化する
ことが出来る。

基本的動作は第１実施例と同じである。

ところで、第１、第２実施例では、積層方向に構成され
た光フィルタで説明し、特に、回折格子と導波路の両者
を用いた例を示した。しかし、本発明では、ゲインスペ
クトルを改善する光フィルタは、特に積層方向に限る必
要はなく、また、回折格子と先導波路が同時に存在する
必要もない。

こうした点を考慮した例を以下に示す。第６図は第３実
施例を、第７図は第４実施例を示す。

第３実施例は、積層方向ではなく横方向（面内方向）に
並んだ先導波路間の方向性結合器を用いて光フィルタを
構成している。本実施例では、方向性結合器６１の持つ
波長特性を利用し、入力光１６の一部を光増幅領域１９
から切り離す様に導波構造、領域長をパラメータとして
設計すること９ により、第１実施例と略同じ効果を得ている。

第３実施例では、横方向の結合であるので、非増幅光の
導波構造６２として、光増幅領域１９と同じく、活性層
を導波層として用いられる。この場合、切り離された非
増幅光は、増幅作用のない活性層を含む導波路６２で損
失のみを受けることになる。

また、横方向での結合の場合、非増幅光の導波構造６２
を比較的容易に変化させられ、新たな効果も期待出来る
。例えば、第６図に示す様に、非増幅光の導波路６２を
曲げたり、また端面に斜めに形成させたりして、入出力
側への戻り光を有効に除去することが出来る。更に、非
増幅光が導波中により大きな損失を受ける様に、部分的
に導波路６２にイオン打込等をしても効果的である。

第７図の第４実施例では、チャネル導波路の一部に斜め
のグレーティング７１を設けてフィルタ効果を持たせて
いる。尚、第７図は横（面内）方向の断面を示している
。グレーティング部７１においては、伝搬するヂャネル
導波光（そのまま通０ 遇する０次光）７２とチャネル外のスラブ導波路部を伝
搬するスラブ導波路光（回折光）７３とがブラッグ条件
で結合されている。非増幅光として損失を与えたい光波
長に対し、ブラッグ条件を満たす様にグレーティング７
１の周期、傾き角を設定することにより、損失を与えた
い波長の光波を回折光７３として主導波路のチャネル導
波路からスラブ導波路へ結合させ、波長選択損失部を形
成することが出来る。

第４実施例の場合も、より光損失を大きなものとする為
に、光増幅領域１９外にイオン打込をすると効果的であ
る。回折格子７１は導波路中に配置されるが、所望の波
長選択性と回折効率を確保する為に、第７図に示す如く
、グレーティング７１の存在する領域のみ導波路幅を大
きくする等の工夫をすると良い。

第３、第４実施例においても、ゲインスペクトルの平坦
化の行ない方は、第４図に沿った第１実施例の説明と基
本的には同じである。

第８図は第５実施例を示す。第５実施例は波長選択的な
光損失の手段として光吸収を利用するものを用いている
。また、導波路及びその周辺に光吸収領域８１を設けて
いる。尚、第８図は横（面内）方向の断面を示している
。

光吸収のスペクトルとして、第４図（ｂ）に示す様なも
のを有する材料が存在すれば、上記各実施例と同様な効
果が期待出来ることになる。こうした吸収スペクトルを
示す材料としては、励起子吸収とか光ケミカルホールバ
ーニングなどが存在するが、波長帯域が極めて狭いなど
の欠点がある。よって、例えば、数ｎ　ｍ−ｒｒ！１１
０　ｎ　ｍの帯域のゲイン平坦化を狙う本発明には適当
とは言い難いしかし、通常の吸収スペクトル（吸収端近
傍の特性）を利用してゲイン分布の片側部のみで部分的
な平坦化を図ることは可能である。光吸収を用いる場合
には、通常、特定の波長から短波長両の光を吸収するフ
ィルタが考えられる。そこで、第５実施例は前述の各実
施例とは設計が若干界なる。その設計例を第９図に示す
。（ａ）は光増幅領域１９のゲインスペクトル、（ｂ）
は光吸収領域８■の透過率、（Ｃ）はトータルのゲイン
スペクトルである。

光増幅領域１９のゲインスペクトルのピークから長波長
側の傾きを光フィルタで補償する様にフィルタ透過率す
なわちフィルタの吸収スペクトルを設計すれば、その傾
きのある波長域においてトクルのゲイン分布が平坦化さ
れる。

本実施例では、この様にしてゲイン分布が平坦化された
光増幅器となっている。

ところで、光吸収領域８（と光増幅領域１９の境界では
、屈折率差が生じやすく、その為、反射が生じやすい。

これを防止する為に、両者の境界は、第８図に示す様に
、傾きを付けて接合するのがよい。

光吸収領域８１は、光増幅領域１９と導波路の組成を変
えることで構成可能である。例えば、ＧａＡｓを活性層
とする場合、Ａ　１　ｏ、　ｏｓＧ　ａ　ｏ９５ＡＳの
導波層とすれば所望の光フィルタとなり得る。この組成
は適当なＭＱＷ構造としてもよい。

３ ［発明の効果］ 以上説明した如く、本発明によれば、ゲインスペクトル
が改善され波長によるゲインの差のない光増幅器が構成
できる。よって波長多重光の取り扱いに際して有効な光
増幅器が実現できる。

特に、半導体レーザ構造の活性層構造とは独立に光フイ
ルタ領域の特性を設計できるので、活性領域の持つ特性
を劣化させることなくゲインスペクトルが改善できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す断面図、第２図は第
１図のＡ−Ａ’断面図、第３図は導波モトの光電界分布
を示す図、第４図は第１実施例におけるゲインスペクト
ル改善の説明図、第５図は第２実施例の断面図、第６図
は第３実施例の横方向の断面図、第７図は第４実施例の
横方向の断面図、第８図は第５実施例の横方向の断面図
、第９図は第５実施例におけるゲインスペクトル改善の
説明図である。 ｌ・・・基板、２・・−バッファ府、３・・−第２クラ
ッド４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、導波路構造を有し導波光を増幅する為の光増幅導波
   路部と、所望の波長域ないし複数の波長に対して、該導
   波路部のゲインスペクトルを改善して入出力間のゲイン
   スペクトルを略均等化する為に選択的に光波を該導波路
   部より損失させる波長選択的損失手段とを有することを
   特徴とする光増幅器。 ２、前記波長選択的損失手段は、前記光増幅導波路部に
   直接接続された主導波路部と隣接する副導波路部と該主
   、副導波路部間を選長選択的に結合しているグレーティ
   ングとから成り、該副導波路部に結合し分離された光波
   は、該主導波路部につながる入出力端には再び現われな
   い様に構成されている請求項１記載の光増幅器。 ３、前記波長選択的損失手段は、前記光増幅導波路部に
   直接接続された主導波路部と隣接する副導波路部と該主
   、副導波路部間を波長選択的に結合している方向性結合
   器とからなり、該副導波路部に結合し分離された光波は
   、該主導波路部につながる入出力端には再び現われない
   様に構成されている請求項１記載の光増幅器。 ４、前記波長選択的損失手段は、前記光増幅導波路部に
   直接接続されグレーティングが斜めに形成された導波路
   部から成る請求項１記載の光増幅器。 ５、前記波長選択的損失手段は、前記光増幅導波路部に
   直接接続された光吸収性の導波路部から成る請求項１記
   載の光増幅器。 ６、入出力端面には無反射コーティングが施されて進行
   波型となっている請求項１記載の光増幅器。 ７、前記光増幅導波路部は半導体基板上に形成された活
   性層を含む導波構造を有している請求項１記載の光増幅
   器。 ８、前記光増幅導波路部と前記波長選択的損失手段は、
   導波光の進行方向に関して、別の位置に分離して設けら
   れている請求項１記載の光増幅器。 ９、前記光増幅導波路部と前記波長選択的損失手段は、
   導波光の進行方向に関して、重なって設けられている請
   求項１記載の光増幅器。 １０、前記グレーティングは、周期が空間的に変化した
   チャープ状グレーティングである請求項２記載の光増幅
   器。 １１、前記副導波路部はチャネル導波路である請求項２
   又は３記載の光増幅器。 １２、前記副導波路部はスラブ導波路である請求項２又
   は３記載の光増幅器。 １３、前記主、副導波路部は、基板上に積層された構造
   の積層方向に関して異なる位置に積層されている請求項
   ２又は３記載の光増幅器。 １４、前記主、副導波路部は、基板上に積層された構造
   の同一積層面内に並んで形成されている請求項２又は３
   記載の光増幅器。 １５、前記副導波路部に結合し分離された光波を入出力
   端と孤立させる為に該副導波路部の終端に無反射構造が
   形成されている請求項２又は３記載の光増幅器。 １６、前記無反射構造は吸収の大きな領域を設けること
   で形成されている請求項１５記載の光増幅器。 １７、前記無反射構造は斜めの端面を設けることで形成
   されている請求項１５記載の光増幅器。 １８、前記副導波路部が曲がった部分を有する請求項２
   又は３記載の光増幅器。 １９、前期光吸収性の導波路部と前記光増幅導波路部の
   境界は傾きを付けて接合されている請求項５記載の光増
   幅器。