JPH04177782A - 光集積装置 - 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−１−の利用分野］ 本発明は、光増幅部を備えた光集積装置に関するもので
ある。

［従来の技術］ 一般に光増幅器といえば、半導体レーザ構造を備え、閾
値以下のバイアス電流を与えることにより外部からの入
力光に対して増幅を行うものをいい、光通信分野におい
ては、ファイバ内あるいはファイバ間での接続の際に生
じる損失を補うものとして開発が進められている。一方
、半導体レーザの電極をいくつかに分離して、その一部
にハイアス電流を与えて、波長及び出力を制御する技術
は周知であり、そのような半導体レーザは光増幅機能を
０１１１えたものであるとも考えられる。つまり、光増
幅器は半導体レーザ構造を直接利用したものであるので
、発光素子（半導体レーザ）を光増幅器の活性層は同一
の構成をとることか可能である。この場合、製造工程か
簡易になることの他に両者間の光軸合わせが不要となる
ために光源部の高出力化が簡易に行われるなどの利点が
ある。

さらに、発光素子、受光素子および光増幅器が同一基板
上に構成され、各素子の間が先導波路で結ばれた光集積
装置が作製されている。これは、装置の多機能化、小型
化という点で有利であり、光通信、光計測、光メモリ等
の分野で多岐にわたって利用することか可能なためであ
る。

このように発光素子と光増幅器は、同じ半導体レーザ構
造て構成できるが、その期待される特性は全く異なるも
のである。すなわち、発光素子は、少ない電流で、つま
り低注入状態ですみやかに発振することか望まれ、一方
、光増幅器は、高注入状態まで発振か抑圧されることか
要求される。

このため、通常、光増幅器には発振を押える工夫かなさ
れている。その一つの方法として端面に無反射コーティ
ングを施すことがあげられ無反射コーディングを端面に
施すことにより光増幅２：包Ｊ閾電流値が上昇し、高い
電流注入が可能になる他に、全波長にわたってなだらか
な利得が得られるなとの特性の改善がみられる。

［発明が解決しようとする課題］ 光増幅器の利得スペクトルは電流の注入により変化し、
電流の高注入状態では利得のピークは短波長側へ移動し
てしまう。このため、」二連した従来の光集積装置にお
いては電流を高注入状態として高い増幅を行なおうとし
たときに、光増幅器の利得のピークと発光素子の発振波
長とかずれてしまい、１ｔＪＩ待される高い増幅度を得
ることができないという欠点がある。

本発明は、同一の活性層を用いて発光素子と光増幅器と
か構成され、発光素子の光出力波長と光増幅器の利得が
ピークとなる波長とが動作時において一致する光集積装
置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明の光集積装置は、 活性層と、該活性層により形成される発光素子および光
増幅素子とを具ｆ１１１する光集積装置において、 発光素子は、その光出力の波長を動作電流注入時におけ
る光増幅素子の利得スペクトルがピークとなる第１の波
長と一致させる発振波長制御手段を有する。

また、活性層が、それぞれ異なるエネルギーギャップの
複数の井戸層を有する量子井戸構造であり、そのうちの
少なくとも１つの井戸層の発振波長は第１の波長とほぼ
同一としてもよい。

さらに、発光素子の波長制御手段が発光素子内に設けら
れた回折格子としてもよく、 そして、光増幅素子の光入射面か、または光出射面とな
る２つの先入出射面のうち、少なくとも１方の面には無
反射コーティングが施してもよい。

〔作用〕

発振波長制御手段により発光素子の光出力の波長は、動
作時における光増幅素子の利得かピークとなる波長とさ
れる。

また、活性層を複数の井Ｊ」層を有する多層月ｊ１　　
。

構造のものとし、その発振波長か光増幅素子のピーク波
長を含むものとした場合には、該活性層によって決定さ
れる光増幅素子の利得範囲が広いものとなる。

［実施例］ 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は本発明の第１の実施例の外観を示す図、第２図
（ａ）　、　（ｂ）はその構造を示す図、第２図（Ｃ）
は本実施例の活性層のバンドギャップを示す図である。

本実施例は第１図および第２図（ａ）に示すように、ｎ
＋−ＧａＡｓである基板Ｊの上に厚さ１μｍのｎ−Ｇａ
Ａｓであるバッファ層２、厚さ２μｍのｎ−Ａｌｏ、　
３Ｇａｏ５Ａｓであるクラット層３、活性層４、厚さ］
μｍのｐ−Ａｌｏ２Ｇａｏ、　ａＡｓである光導波層５
とを順次エビクキシャル成長させた。この上に活性層４
に生じるレーザ光の波長を制御する分布反射領域を構成
するために部分的に回折格子（不図示）を作製した。さ
らに、厚さ１．５μｍのｐ−Ａｌｏ、　５Ｇａｏ、　ｓ
Ａｓであるクラット層６、厚さ０．５μｍのｐ”−Ｇａ
Ａｓであるキャップ層７を成長させた。次に、電流注入
領域を制限するためにクラット層６およびキャップ層７
をフォトリソグラフィ技術を用いて活性層の手前約０３
μｍの深さまでストライプ状にメサエッチングし、さら
に、この」二に窒化シリコンである絶縁層８を形成させ
、ストライプ」１方のみをエツチングした。次に、半導
体レーザの電流注入領域および光増幅領域に相当する部
分にはＣｒ−Ａｕである上部電極９１．９２を蒸着し、
基板底部にはＡｕ−Ｇｅである下部電極）０を蒸着した
。

続いて、ストライプと垂直な方向にへき開した後、両端
面に無反射コーティングを施した。この無反射コーディ
ングはＺｒＯ□をエレクトロンビーノ＼（ＩＥＢ）法を
用いて蒸着することにより行い、反射率は１％以下にな
るように膜厚て制御した。最後に半導体レーザの注入部
と光増幅部とに別々に対応した電極をストライプと平行
な方向にスクライブで分離してとりだした。

ここで活性層４は、第２図（ｂ）に示すように基板］側
から順に厚さ２００人のＡｌｏ３Ｇａｏ、　７ＡＳであ
る光閉し込め層１１、厚さ７０人のＧａＡｓである第１
の井戸層１２、厚さ　１００人のＡｌｏ３Ｇａｏ、　７
ΔＳである障壁層１３、厚さ　１５０人のＡｌｏ９Ｇａ
ｏ、　！ｌｌＡｓである第２の井戸層Ｉ４、厚さ２００
人のＡｌｏ３Ｇａｏ、　７ＡＳである光閉じ込め層１５
から構成されている。この第］の井戸層と第２の井戸層
のエネルギーギャップは各々１．４９４ｃＶ、　１．５
３４ｃＶであり、その発振波長はそれぞれ８３０ｎｍと
８０８ｎｍである。また、回折格子は二光束干渉露光法
により作成したもので、その格子定数か第２の井戸層１
４の発振波Ｊｇ　（８０８ｎｍ）に相当するように、格
子ビッヂ△＝　２３５６人に設定した。このため、本実
施例の半導体レーザ部は２次の回１ハを用いたＤＢＲ（
分布反射型）構造となる。

次に、本実施例の動作について説明する。

本実施例を、量子井戸層を持つ、ファブリペロ−型半導
体レーザを考えた場合、電流を注入していくと第１の井
戸層１２に相当する波長が選択され発振がはじまる。さ
らに、電流を注入していくと、やがて第２の井戸層によ
る発振状態か得られる。しかし、通常第２の井戸層によ
る発振は、高注入による熱的飽和やＣＯＤレヘルへの到
達などにより第１の井戸層１２の発振に比べ、起こりに
くくなっている。そこで、何らかの方法で第１の井戸層
Ｉ２が発生ずる光に対して損失を与える必要がある。こ
のため本実施例においては、回折格子により波長を選択
できるＤＢＩＩ構造とすることにより、第１の井戸層１
２の発振波長に損失を与え、第２の井戸層１４の発振波
長に選択的に発振させている。

さらに光増幅部においては、片面に無反射コーティング
を施すことにより発振を遅らせているので、無反射コー
ティングを施す前の閾電流値（Ｉ　ｔｈｏ）に比べ１．
６倍程閾電流値か」１昇した。この光増幅部に］、　５
１ｔｈｏの電流（高注入状態）をバイアスすると、光増
幅部自体は発振しない１、ＥＤモードての発振が得られ
る。このＬＥＤモートの発光スペクトルを観察すると利
得のピークは、高注入状態による利得の短波長側へのシ
フトの結果、８Ｃ１８ｎｍに見られ第１の井戸層１２の
ものよりも第２の井戸層１４のものに対する発光か効率
よく起こっていることがわかる。従って、この増幅器に
外部から光を人力した場合の利得もこの発光スペクトル
に準しるものとなり、８０８ｎｍ付近で最大の利得か得
られる。従って、本実施例のものでは半導体レーザの発
振波長と光増幅器の利得のピークが−致し、光増幅器で
の高い増幅度か得られる。

本実施例では光増幅器の利得を広い波長域にわたる幅広
いものとするために、活性層を複数の量子井戸を有する
ものとして説明したか、単一の量子井戸のものやダブル
ヘテロゲイン（１）Ｈ）構造のものにした場合でも発振
波長を制御する手段さえ有すれば増幅度の改善ができる
ことは明らかである。

なお、本実施例の示す装置ではＤＢＲ部のうち光増幅部
に接した部分の反射率を９０％、もう一方の反射率をで
きるたけ１００％に近つけるようにし、半導体レーザか
らの光を効率的に光増幅部に導き外部に出力するように
構成すれば、［］ＢＲ−ＬＤにより縦モートか安定し、
かつ高出力な光が得られることになり、光通信用あるい
は光計測、光メモリ用として有用な光源となり得る。

また、本実施例では発光素子としてＤＢＲレーザな用い
る構成を説明したか、同しく回折格子を使って波長を制
御する分布帰還型（ＤＦＢ）レーザを用いてもよい。

さらに、本実施例は発振波長域に関して限定されるもの
ではなく、ＩｎＧａＡｓＰ系なとの材料を使用する。さ
らに波長長域に対応する光集積回路に対しても有効であ
ることは明白である。

第３図（ａ）は本発明の第２の実施例の構成を示す図、
第３図（ｂ）は本実施例の活性層のエネルギーギャップ
の状態を示す図である。

本実施例ば、ＤＢＲレーザ３１、光検出器３２、光増幅
器３３、方向性結合器３４および活性層３５を同一基板
」−に構成し、光増幅器３３の両端にあたる両側面に無
反射コーティング３６１．３６２を施している。

光増幅器３３は直線状に形成されており、その両端面に
施された無反射コーティング３６１　、３６□を介して
光通信用の光ファイバ３７１　、３７□と信号光の送受
を行なっている。方向性結合器３４は、光増幅器３３と
平行に形成された第１の導波路部と、該第１の導波路部
の略中央付近から垂直方向に伸びて丁字形を形成する、
第２の導波路部から成る。光検出器３２は第２の導波路
部の終端部に形成され、ＤＢＲレーザ３１は第１の導波
路部と第２の導波路部の分岐部と光検出器３２との間に
設けられている。

なお、１）ＢＲレーザ３１、光増幅器３３の層構造およ
び活性層３５の層構造は第２図（ａ）、（ｂ）に示した
ものと同様であるため、説明は省略する。

」二連のように構成された本実施例は、２のに機能をも
つ。１つはＤＢＲレーザ３１からの光を方向性結合器３
４を介して２本の光ファイバ３７．．３７゜へ送ること
である。このとき、光検出器３２はＤＢＲレーザ３１か
らの光を検出し、帰還をかけるために用いられる。また
、もう１つは外部から入射される信号光を増幅して他方
へ送り出すことである。つまり、本実施例の装置は光通
信において送信と中継を一体化したものであり、光増幅
器３２はＩＩＩＢＲレーザ３１の出射光の分岐における
損失の補償と、外部入力光の増幅という２つの機能をは
たしている。

本実施例において、光増幅器３３ば、端面の両側に無反
射コーティングが施されているため、片面のみのコーテ
ィングの場合よりもさらに発振を遅らせることか可能と
なるので光増幅器３３を高注入状態に保つことができ、
高い利得が得られている。この場合、電流注入時におけ
る利得のピーク波長は、第３図（ｂ）に示すようにさら
に短波長側にシフトすることを考慮し、第２図（ｂ）に
示した第２の井戸層１４のエネルギーギャップを高くし
て第２の井戸層の発振波長をピーク波長に合わせるとと
もに、回折格子のピッチを変え、該発振波長に合わせる
必要かある。

第４図（ａ）は本発明の第３の実施例の構成を示ず図、
第４図（ｂ）は本実施例の活性層か有するエネルギーギ
ャップの状態を示す図である。

本実施例は、波長が多重化された光通信システムにおけ
る送受信機能を有するものてＤＢＲレーザ４１□、４＋
２　、光検出器４２、光増幅器４３、方向性結合器４４
，４５　、活性層４６を同一基板」二に構成し、光増幅
器４３両端にあたる両側面に無反射コーティング４７、
．４７□を施したものである。

光増幅器４３は直線状に形成されており、その両端に施
された無反射コーティング４７１．４７□を介して光通
信用の光ファイバ４８．．４８□と信号光の送受を行な
う。方向性結合器４４は、光増幅器４３と平行に形成さ
れた導波路部と、Ｕ字状に形成された導波路部と、これ
らの２つのものの略中央付近を結ぶ導波路部から成る。

ＤＢＲレーザ４１．．４１２はそれぞれ異なる発振波長
を有するもので、Ｕ字状に形成された導波路部を形成す
る２つの直線部分に各々形成されている。方向性結合器
４５は方向性結合器４４と光増幅器４３をはさんだ反対
側に第３図（ａ）に示したものと同様に丁字状に形成さ
れ、光検出器４２はその終端部に形成されている。なお
、ＤＢＲレーザ４＋、、４］□、光増幅器４３の層構造
は第２図（ａ）、（ｂ）に示したものと同様であるため
、説明は省略する。

本実施例においてはＤＢＲレーザ４］、　４１の光出力
は方向性結合器４４を介して光増幅器４３に人力される
。光検出器４２はこれらの光出力や光ファイバ４８＋、
４８□を伝搬する光信号を方向性結合器４５を介して受
信する。本実施例では複数の波長を用いているため、第
４図（ｂ）に示すように複数の量子井戸層を備えた活性
層を用いて構成し、発光効率および光増幅度を各々の波
長において高いものとすることかできた。この場合、光
増幅器としての利得は２つの波長の中心イ」近てほぼビ
ークであるか、もしくは２つの波長範囲にわたって平坦
化されていることが望ましく、用途に応してそのように
量子井戸のエネルギーギャップを設計すればよい。

なお、本発明は発光素子と光増幅素子の活性層を同一の
構成とした光集積装置に関するものであり、両者は必ず
しも同一基板」二にモノリシックに構成する必要はない
。その場合、両者の光軸な合わせるアライメントの問題
が生じるが、本発明特有の効果である高い増幅度か得ら
れれば、総合的な利得の減少は少なくおさえることがで
き有効である。

［発明の効果１ 本発明は以上説明したように構成されているので以下に
記載するような効果を奏する。

請求項１に記載したものにおいては、光増幅素子の利得
がピークとなる波長と発光素子の出力波長とか一致する
ので高い増幅率を得ることができる効果がある。

請求項２に記載のものにおいては、光増幅素子の利得範
囲か広いものとなる上に、活性層より出力される光が前
述のピーク波長を含んでいるので半導体レーザの光出力
をピーク波長と一致させる制御が容易になるという効果
がある。

請求項３に記載のものにおいては、回折格子を用いて発
光素子の出力波長を制御しているので、該制御を容易か
つ正確に行なうことができる効果がある。

請求項４に記載のものにおいては、光増幅部の発振は生
じにくいものとなるので、光増幅部を高注入状態とする
ことができ、高い増幅率を得ることができる効果がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の構成を示す図、第２図
（ａ）、（ｂ）は第１の実施例の層構成を示す図、第２
図（ｃ）は第１の実施例の活性層が有するエネルギーギ
ャップを示す図、第３図（ａ）は本発明の第２の実施例
の構造を示す図、第３図（ｂ）は第２の実施例の活性層
が有するエネルギーギャップを示す図、第４図は（ａ）
は本発明の第３の実施例の構造を示す図、第４図（ｂ）
は第３の実施例が有するエネルギーギャップを示す図で
ある。 １・・・・・・・・・・・・基板、 ２・・・・・・・・・・・・バッファ層、３．６・・・
・・・・・クラッド層、 ］　６ ４　、３５．４６・・・・・・活性層、５・・・・・・
・・・・・・光導波層、７・・・・・・・・・・・・キ
ャップ層、８・・・・・・・・・・・・絶縁層、 ９．９．．９２・・・・・・上部電極、１０・・・・・
・・・・・・・下部電極、ＩＩ、１５・・・・・・・・
光閉じ込め層、１２・・・・・・・・・・・・第１の井
戸層、１３・・・・・・・・・・・・障壁層、１４・・
・・・・・・・・・・第２の井戸層、３１、４１．、４
１□・・・・ＤＢＲレーザ、３２、４２・・・・・・・
・・光検出器、３３、４３・・・・・・・・・光増幅器
、３４、４４．４５・・・・・・方向性結合器、特許出
願人　　キャノン株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、活性層と、該活性層により形成される発光素子およ
   び光増幅素子とを具備する光集積装置において、 前記発光素子は、その光出力の波長を動作電流注入時に
   おける前記光増幅素子の利得スペクトルのピークである
   第１の波長と一致させる発振波長制御手段を有すること
   を特徴とする光集積装置。 ２、請求項１記載の光集積装置において、 前記活性層が、それぞれ異なるエネルギーギャップの複
   数の井戸層を有する量子井戸構造であり、そのうちの少
   なくとも１つの井戸層の発振波長は前記第１の波長とほ
   ぼ同一であることを特徴とする光集積装置。 ３、請求項１または２に記載の光集積装置において、 前記発光素子の波長制御手段が発光素子内に設けられた
   回折格子であることを特徴とする光集積装置。 ４、請求項１または２に記載の光集積装置において、 前記光増幅素子の光入射面か、または光出射面となる２
   つの光入出射面のうち、少なくとも１方の面には無反射
   コーティングが施されていることを特徴とする光集積装
   置。