JPH0648744B2 - 光通信装置 - Google Patents

光通信装置

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JPH0648744B2
JPH0648744B2 JP1215166A JP21516689A JPH0648744B2 JP H0648744 B2 JPH0648744 B2 JP H0648744B2 JP 1215166 A JP1215166 A JP 1215166A JP 21516689 A JP21516689 A JP 21516689A JP H0648744 B2 JPH0648744 B2 JP H0648744B2
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アメリカン テレフォン アンド テレグラフ カムパニー
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、半導体光増幅器および、この増幅器をを用い
た光通信装置に関する。
[従来技術] 低コスト、低損失の光ファイバの導入により、光通信の
分野で革命的変革が発生している。光通信は、商業的に
既に確立し、光通信線は大陸間、海底間に敷設されてい
る。研究者らは、この革命の新たな段階−情報光信号を
処理する為に、集積光学回路を使用する点で−に先鞭を
つけつつある。現在、信号は電気的な形で処理され、送
信の為だけに光の形に変換される。その信号が光のまま
で処理され、電気的形態と光学形態とに信号を変換する
必要がなくなれば、非常に経済的な利点が発生する。
光信号の処理には、多数の複雑な装置、レーザ、検知
器、変調器、増幅器、再生器等が必要である。しかし、
光通信の商業的な利用が可能になるのは、これらが、複
数の装置が単一のチップ上に形成されるような集積技術
を用いて経済的に入手可能になる場合である。したがっ
て、多大な研究開発努力が、そのような集積半導体装置
の設計・製造の開発に向られている。本発明はすくなく
ともそのような装置に関する。(本明細書で使用される
用語は、可視領域より広いスペクトルの領域を含む。用
語は光通信の技術分野に、また誘電体媒体(その損失が
2bB/kmでせいぜい1dB/kmの光ファイバ)を貫通
する放射に関する。現在、そのような放射は 0.5〜20ミ
クロンの範囲である。しかし、その範囲は将来拡大する
かもしれない。その場合、光学(光)という用語は、よ
り広い電磁スペクトルの範囲を含む。) 光増幅器は、光信号を受信し、(最小のひずみあるい
は、変質でもって)それを増幅する。現在の開発努力
は、レーザー反射表面は非反射コーティングで処理され
る程度まで、半導体レーザー構造は進歩している。その
ような装置では、ゲインと反射率の積は1以下で、その
ため、その装置は発振しない。その装置は光信号がそこ
を通過する間、それを増幅するのに使用される。そのよ
うな装置は進行波増幅器と呼称され、光信号は装置内を
往復せず、ほぼ1回だけそこを通過することを意味す
る。
そのような光増幅器の重要な関心は増幅利得の安定性で
ある。増幅器の利得の変化は増幅の際の信号のひずみに
繋がる。しかし、増幅機構は、(装置にもよるが)装置
の利得の固有の変化をもたらす。このことは、必要な増
幅をするために、そのような装置は誘導放射の現象に依
存していることを考えることにより理解できる。この誘
導放射には反転分布の形成が必要であり、信号が増幅器
を通過する毎に減少し、ある有限時間の間、再構成され
る。(一般的に、半導体増幅器あるいはレーザーにおい
て反転分布は特定のキャリア濃度の存在により検知され
る。)従って、増幅器の利得は、信号が増幅器を通過し
た後のある期間、減少する。このある期間は通常、「増
幅器利得回復時間」と呼称される。
[発明の概要] 本発明は、短縮された利得回復時間を有する半導体増幅
器に関する。
本発明の増幅器の回復時間は、光通信システム(そのデ
ータビット流は1GHz以上さらには2,3GHzであ
る)で効果的に使用される程短い。本発明は、増幅器を
通過する光信号に起因する空乏後のキャリア密度の回復
を説明するメカニズムの斬新な解釈によりなされた。キ
ャリア密度の回復は、通常は非常に低く、その結果、非
常に長い利得回復時間となる。キャリア密度の回復、す
なわち、利得回復時間は、増幅器の少なくとも1つのキ
ャリア蓄積領域をゲイン領域の近傍に併置することによ
り、短くできることが発見された。キャリア蓄積領域か
らゲイン領域へのキャリアの移動がゲイン領域内のキャ
リア密度を急速に増加させ、増幅器ゲインの急速な回復
を可能にする。
[実施例の説明] I.導入部 本発明は、ゲイン回復時間を短縮した光学増幅器で、ま
た、そのような光学増幅器を有する光通信システムであ
る。本発明は、半導体材料中で発生するレーザー現象、
光増幅現象を紹介することにより、容易に理解できる。
この半導体材料中で発生するレーザー現象、光増幅現象
は、反転分布と誘電発振に依存する。このレーザー発
振、増幅現象は、物理システムの反転活性状態からより
低い活性状態への誘導遷移に依存する。この反転分布
は、レーザー現象、光増幅現象の前に、低位状態より高
位励起状態が多く存在する時に発生する。この反転分布
は、物体を旨くエネルギー化することにより、制御でき
る。半導体レーザーや増幅器の場合、励起状態は伝導帯
に電子が存在し、価電子化帯に附随ホールが存在するこ
とにより、具現化される。励起状態から電子もホールも
存在しない低位状態への遷移が、光子の生成になる。
半導体のこれらの特性はレーザーや光学増幅器の製造に
使用される。そのような装置が第1図に示されている。
ここで、本発明の説明に不要な要素は示されていない。
この第1図で「ゲイン領域」は、励起と誘電放射が発生
する場所である。ゲイン領域の材料は、適当な反転分
布、誘導放射が発生するような材料である。しばしばこ
のような材料は直接バンドギャップ材料で、この材料で
は価電子帯の最大エネルギ状態と、伝導帯の最小エネル
ギ状態が運動量空間内の同一場所で発生する。従って、
この材料では、価電子帯と伝導帯間に、運動量保存用の
光子を必要としない許容光学遷移が存在する。このゲイ
ン領域は、キャリアの伝導帯への注入に応じて、光学ゲ
インを提供する。この注入は、例えば、適当な電気的バ
イアス、あるいは、このようなキャリアの生成させる適
当な光学誘導現象を利用することによりなされる。しか
し、説明の都合上、本明細書は、キャリアを生成する電
気的手段により記述する。従って、「電流」即ち「キャ
リア注入電流」が、キャリア注入装置に流れる。しか
し、この電気的手段には光学ビーム、あるいは他のキャ
リア生成手段も包含されるものとする。
第1図において、11は光学フィールドをゲイン領域に
「制限する」手段である。この制限は屈折率を変化させ
る領域、典型的には、ゲイン領域を「ロード」するリッ
ジ導波路構造によりもたらされる。リッジ導波路下の光
学フィールドの「制限」はそのフィールドを導波方向と
直交する方向に閉じ込め、しかも、回折効果のみが考慮
される時が得られる程度を越えて閉じ込める。制限手段
(リッジ)11は下のゲイン領域10より狭い。しかし、あ
る実施例では、リッジ即ち、他の光学フィールドをゲイ
ン領域に閉じ込める手段は、第1図のゲイン領域以上で
ある。第1図の紙面に垂直方向の軸を有する適当な光学
空洞が、適当な反射面によりリッジ11のの下の領域中に
形成され、第1図の構成がレーザとして動作する時に
は、フィードバック素子として使用される。しかし、こ
の構成が増幅器として動作する時は、フィードバックは
望ましくない。それは振動するに必要以上なフィードバ
ックゲインは不要だからである。従って、レーザ構造
は、空洞表面の反射率を減少させることにより、増幅器
としても動作する。この現象は、通常光学フィールド
(端面)の伝搬方向に直交する面を非反射被膜でコーテ
ィングして、空洞を通過する光が空洞表面で反射せず
に、1回の通過で出力するようにして達成される。この
ような装置は進行波増幅器と呼称される。このような装
置の端面反射率を減少させる他の技術は、光学反射の伝
搬方向が端面と直交しないようなレーザ構造を得ること
である。このような装置においては、この端面は性能向
上の為に、更に非反射コーティングでコートされる。
1図で、12は「阻止」領域で、キャリア注入領域をゲイ
ン領域に制限する。多数の実施例では、この領域は反転
バイアスpn接合である。本発明によるこの領域の重要
な意味は、この装置がレーザとして動作する際、この領
域の浮遊容量の影響を考慮することにより理解できる。
この装置がレーザとして動作する際には、光学入力はな
い。情報光学出力を得るのに、レーザをパルス発振する
為に、バイアス電圧と電流は急速に変化させられる。
「阻止」領域12の浮遊容量は、レーザがパルス出力され
るスピード、従って装置のビットレートおよび関連する
光学システムを制限する。従って、そのようなレーザは
最小の浮遊容量しか持たないように設計される。
しかし、本発明によれば、装置が光学増幅器として動作
する際には、浮遊容量や他のキャリア蓄積効果は有益で
あることが判明した。このことは、増幅器動作の詳細を
知ることにより理解できる。増幅器として動作する際に
は、装置には誘導放射と連続増幅となる光学入力があ
る。レーザ動作に使用されるパルスバイアスではなく、
一定バイアスは励起状態の反転分布を確保する。しか
し、増幅器に入る光学パルスの間隔が短い時は、励起状
態の一時的な欠乏(これは誘導放射の結果として起る)
は、次の光学パルスの到着前に、反転分布になるのに充
分迅速には回復しない。従って、第2の光学パルスは第
1のそれと同程度まで増幅はされない。それ故、第2パ
ルスの増幅は第1パルスの増幅に依存する。デー符号化
情報担持光学データ流においては、この影響は符号間干
渉の形で、信号ひずみになる。
しかし、阻止領域12は大きな容量を有し、この領域は
「キャリア蓄積」領域として作用し、ゲイン領域にキャ
リアを再蓄積し、ゲイン領域を反転分布の状態に戻し、
各パルスの増幅が、先行パルスの増幅に余り影響され
ず、符号間干渉が減少される。それ故、本発明の装置
は、ゲイン領域に隣接してキャリア蓄積領域を有し、キ
ャリアはパルスが増幅される時、空乏域に急速に再蓄積
される。従って、この装置は、キャリアが蓄積領域から
ゲイン領域へのキリアの移動時間がゲイン領域のキャリ
アの真性ライフタイム以下となるよう、設計される。そ
の移動は例えば、引加電界の影響下でのキャリアのドリ
フトまたは、キャリア密度勾配に起因する拡散の結果で
ある。このキャリア密度勾配は、光学信号はゲイン領域
に閉じ込められ、キャリアをゲイン領域内で欠乏させ、
蓄積領域内のキャリア密度に影響を与えずにおくことに
より、形成される。従って、光学信号がゲイン領域通過
直後、キャリア密度勾配は蓄積領域とゲイン領域の間に
形成され、蓄積領域からゲイン領域へのキャリアの拡散
を生成させる。本発明には、ゲイン領域に充分近接して
蓄積領域を併置することが含まれ、キャリア密度勾配の
影響下での拡散時間が蓄積領域の併置がない場合に発生
するより、ゲイン領域内のキャリア密度の再構築する程
充分に速い(他の変数が同じとして)。
本発明をレーザおよび/または増幅器の偶然の従来技術
から区別する為に、本発明は「情報担持」光学信号また
は、「情報表示」光学信号の観点から記述する。これら
の用語は、情報を表す光学信号を意味し、本発明を、こ
こに開示した本発明の増幅器の特性を利用したり認識し
たりせずに、レーザおよび/または増幅器技術の偶然の
使用から区別する。
II.本発明の増幅器におけるゲイン回復時間の解析 ここでは、本発明の増幅器に関係する主要な問題−ゲイ
ン圧縮とゲイン回復について記述する。ゲイン圧縮とゲ
イン回復を記述すると共に、本発明の構成の実施例を含
む種々の構成のゲイン回復の観察結果を述べる。
デジタルデータ流では、パルス間の分離間隔はビット間
隔の整数倍である。入力パルスがゲインを圧縮するに充
分なエネルギを有しており、ビット間隔が増幅器のゲイ
ン回復時間より短いならば、増幅器は記号間干渉を起
す。あるパルスによるゲインは先行パルス(ランダム
な)からの間隔時間に依存するからである。ゲイン圧縮
とゲイン回復の処理は、デジタル信号が記号間干渉なし
に増幅されうる最大許容ビット速度と増幅器入力パワー
レベルを制限する。2Gb/sの疑似ランダムビット流
の異なるビットの異なるゲインの例は 1.55 μmの増幅
器である。(I.W.Marshall,D.M.Spirit,M.J.O′Mahony,
エレクトロン・レター23,818,1,87)AlGaAsレー
ザのゲイン圧縮と回復は、ピコ秒以下の時間解像度で以
前に観察されている(M.S.stix,M.P.Kesler,E.P.Ippen
アプライドフィジックスレター48,1722(1986),M.P.Kesl
er,E.P.Ippen アプライドフィジックスレター51 1765
(1987))。本発明者らは、ゲイン圧縮と回復について、
第2図の実験装置を使用して解析した。図示されている
ように、シヌソイドクロック信号が2個の可変波長モー
ド・ロック半導体レーザを駆動した(Y.L.Bessenov,A.P.
Bogatov,P.P.Vasil′ev,V.N.Morozov,A.B.Sergeev,Sov.
J 量子電子12,1510(1983))。このレーザはグレーティン
グ端面反射装置を有する外部空洞共振器を使用してい
る。このグレーティングはレーザの動作波長とスペクト
ル幅を制御する。このレーザは1GHz基本共振周波数
または、高調波周波数のいずれかでモード・ロックされ
ている。パルス持続時間は12-25ps FWHMである。最
狭パルスは 1.24-1.25μmの波長範囲で生成される。マ
イクロウェーブ位相シフタは、1つのレーザのRF単一
パス内に挿入され、2つの光学パルス列間の遅れを変化
させるのに使用される。この2個のパルス列はファイバ
の方向性結合器内で結合される。第2の方向性結合器は
光学信号パス内に挿入されて付加的な検査ポートを提供
する。2個のパルス列の極性は、ファイバ極性制御器を
用いて調整される。光はマイクロレンズを用いたテスト
後、InGaAsPの 1.3μmTW増幅器に結合され、
マイクロスコープ対象物を使用して導出される。入力結
合損失、出力結合損失は、それぞれ、4dBと5−6d
Bである。パルス幅、パルス間遅延、光学スペクトラム
を、増幅器の前後で8psの解像度のストリークカメラ
と、 0.1nmの解像度の光学スペクトラム解析器を用い
て測定した。ゲインはプローブ信号をチョッピングする
ことにより測定され、2つのGe光学検知器上の信号
(出力点でのそれと入力ファイバ上のパワーをモニター
するそれ)を比較した。
この実験で使用されたTW増幅器は、通常 1.3μm− 2
50μm長の二面に非反射コーティングを施し、ヘテロ構
造レーザチップに埋設されたチャネル基板により得られ
た。平均面反射率は3×10である。(I.W.Mrshall 他の
前掲書) 1.25μmの波長(ピコ秒のパルス増幅実験が
実施された)における装置のゲインは20± 0.5dBであ
った。
第3図は、 1.242μmの波長での12−ps、4−GHz
パルス列での入力ファイバの平均パワーの面出力パワー
とゲインの依存性を示す。単一レーザ(第一の)は、増
幅器の接合面(TE)に沿って極性化され、この測定に
使用された。測定された少信号ゲインは 9.5dBであ
る。 500μWの大入力パワーに対しては2dBもの減少
である。最大平均出力面パワーは12mWで、これは 400
mWのパルスピーク面パワーと、3fJ/パルスのパル
スエネルギにに相当する。
ゲイン回復はポンプ−プローブ実験で、第2図の2個の
レーザをを使用して測定された。このレーザは 1.25 μ
mの波長、1GHzの繰返し速度で動作する。第1レー
ザは入力ファイバ中で25psパルスで、93μW(93fJ/
パルス)の平均パワーを有し、ポンプする。第2レーザ
は14psパルスで、 1.86 μWJ( 1.86 fJ/ パルス)
の平均パワーを有し、チョップし、プローブとして働
く。第4図はポンプとプローブ間の遅延の関数としてプ
ローブパルスとして得られるゲインを示す。ポンプパル
スは遅延時間0で、2dBでゲインを空乏化する。この
ゲインは初期値へ、100 psの時定数の指数関数に適合
した関数型で回復する。
本発明の増幅器(1GHz、4GHzで)で観測された
最大ゲイン圧縮は2dBであった(第4,3図)。この
両方の繰返し速度では、同一量のゲイン圧縮(2dB)
が、ほぼ同一のパルスエネルギ、1GHzで100fJ/
パルスと4GHzで 125fJ/パルス(入力ファイバで
測定された)で得られた。(微小差は入力結合損失の差
に依存している。)パルスエネルギ(平均入力パワーで
はなく)によるゲイン圧縮は、この装置で測定された短
い回復時定数( 100ps)と一致する(第4図)。増幅
器のゲインは約 250ps後には回復するので、4GHz
の後続パルスは、増幅の間たがいに独立している。それ
故、記号間干渉は、デジタル信号が4GHzのビット速
度で増幅されている時は、存在しない。より高いビット
速度では、ゲインは、圧縮されている時、パルス間では
完全には回復せず、記号間干渉に起因するシステム機能
の低下を引起す。
従来のモデルが、キャリア密度Nの速度式によるゲイン
の動きを表す。
ここで、Iは駆動電流、eは電荷、Vは活性体積、R
(N)は全ての再結合プロセスを表す。入力パルスが短
く、パルス間の時間が長い時、回復プロセスの間は誘導
放射はなく再結合R(N)は次式となる。
(A.J.Taylor,J.M.WiesenfeldPhys.Rev.B,35,2321(198
7)) R(N)のCNの項は、オージェプロセスに起因する
再結合を表し、他の項は2分子(Bimolecular)再結合を
表す。もし、パルス幅が広い場合、または、デジタル入
力信号が非零回帰型式(nonreturn to zero format)で変
調される場合は、回復時に誘導放射の付加に起因して、
再構成が相違する。係数Bとδは、解析概算値をIn
GaAsPのキャリア密度依存放射再結合速度の量子力
学数式に適合させるパラメータである。
(A.J.Taylor,J.M.Wiesenfeld,Phys.Rev.B,35,2321(198
7),B.Sermage,J.P.Heritage,N.K.Dutta,P.App,Phys.57,
5443,(1985)) その値は、B= 1.4×10-10cm3/sで、δ= 1.8×10
-19cm3である(A.J.Taylor,J.M.Wiesenfeld,Phys.Rev.B,
35,2321(1987))。オージェ係数は、C= 2.6×10-29cm6
/sである。TW増幅器は一定しきい値に到達せずに、
高電流に駆動されるので、その定常状態キャリア密度N
はレーザ(ここではそのキャリア密度は誘導放射に起
因するしきい値で固定される)のそれよりもはるかに高
い。高駆動電流では、TW増幅器内の再結合はオージェ
処理に支配され、 である。Nへの回復キャリアライフタイムは である。オージェ支配の再結合は、適度なゲイン圧縮の
為、NはNから若干変化する。
( 250-500)μm長の増幅器では、従来の(0.15-04) μ
の埋込みヘテロ構造の部分に亘る活性領域を有し、
(80-120)mAの駆動電流で、キャリア密度は5×10
18-3である。前記の装置では、キャリアライフタイム
の計算値はτ= 300-450psである。このライフタイムの
値は、チャネル基板を有し、埋設ヘテロ(CSBH)構
造の増幅器のライフタイムの測定値(約100ps)よりはる
かに長い。(CSBH)構造の増幅器のライフタイムは
以下に記述するように、約80psである。
短い測定ライフタイムを説明する物理的メカニズムの新
たな解釈は、短いゲイン回復時間を有する新たな増幅器
構造を可能にする。活性領域の極近傍(数μm以内)に
キャリア蓄積領域(キャリア貯蔵所)位置させるという
概念である。増幅器駆動電流の一部は活性領域よりもこ
の貯蔵領域を通過する。この電流は駆動されるべき蓄積
領域内のキャリア密度を活性領域のそれと等しくする。
ゲインを圧縮する為充分なエネルギを有する光学パルス
が印加されると、活性領域(キャリア蓄積領域ではな
く)のキャリアを欠乏させる。これらの領域間でキャリ
アの勾配が生じ、キャリア蓄積領域から活性領域へキャ
リアを拡散させる。これにより、活性領域のキャリア密
度が、定常状態値に戻る必要な時間を短縮する。活性領
域から1−2μm以内に蓄積されたキャリアにとって、
拡散時間は非常に速く(100ps 以下)、このプロセスは
キャリア蓄積時間を短縮する。ある場合は、キャリアは
蓄積領域から活性領域に、活性領域近傍の高導電電流パ
スを通過するドリフトにより、移動する。時間短縮以外
に、回復時間はバイアス電流値とは無関係になる。オー
ジェ制限再構成の従来の装置I-2/3バイアス電流値依存
性とは対照的である。
キャリア蓄積領域からの拡散に起因する短縮回復時間の
概念は公称 1.3μmのTW増幅器の回復時間の比較によ
りテストされる。第1の増幅器はCSBH構造(その断
面図は第5図)を有する。この構造のレーザダイオード
は、そのpn電流阻止接合は浮遊(シャント)キャパシ
タンスを構成するので、変調応答は悪いことが知られて
いる。
(R.S.Tucker,IEEE J.Lightwave Tech.,LT-3,1
180(1985))この接合はキャリア蓄積領域として作用す
る。特に、第5図の領域Aは、活性領域から数μm以内
に位置したキャリア蓄積領域順方向バイアス接合であ
る。第2の増幅器は半絶縁埋込みヘテロ(SI−EMB
H)レーザ構造である。その断面図は第6図に示されて
いる。この構造のレーザダイオードは、その半絶縁In
P電流阻止領域は低浮遊キャパシタンスを構成し、リー
ク電流を最小にするので、広い変調バンド幅を有してい
る。この構造では、活性領域に隣接した位置にはキャリ
ア蓄積領域はなく、回復時間は材料の特性と駆動電流に
因る。この両方の増幅器ともシリコン酸化物非反射コー
ティング(表面反射率が約10-4)を使用している。
(G.Eisenstein,G.Raybon,L.W.Stulz J.Lightwave Tec
h.,LT-6,12(1988)) この種の増幅器のゲイン回復時間はポンプ−プローブ実
験で測定される。可変波長活性モードロック半導体レー
ザ(Y.L.Bessenov,A.P.Bogatov,P.P.Vasile,V,N.Morozo
v,A.B.Sergeev,Sov.J.Quantum Electron,12,1510(198
3))は、1GHzの繰返し速度で約15psのパルスを生成
するが、これらが使用された。パルス列間の遅延はRF
駆動信号の位相をレーザの1つに適合することにより、
調整された。この2個の信号はファイバ方向性カプラ内
で結合され、この結合信号はテスト中の増幅器に、ファ
イバ・ピグテール分離器を介してマイクロレンズを用い
て導入された。光は顕微鏡対物レンズを用いて増幅器か
ら導出された。全結合ロスは10dBであった。このポン
プ−プローブパルスはそれぞれ約100fJ/パルスと約2fJ/
パルスであった。
第7,8図には、数個の駆動電流に対するCSBHとS
I−EMBH構造の増幅器の測定回復時間が示されてい
る。このポンプパルスは時間遅延零でゲイン領域を空乏
化し、このゲイン領域は、ポンプパスル消滅後回復を開
始する。このゲイン回復時間は、それを指数型式に適合
させることにより各カーブに対して決定される。ゲイン
回復時間の増幅器バイアス電流への依存性は、両増幅器
対して第9図に示されている。CSBH構造の増幅器で
は、回復時間は80±10psで、バイアス電流とは無関係
で、キャリア蓄積領域からの拡散(ドリフト)に支配さ
れる回復と一致している。この測定回復時間は従来のオ
ージェ制限再構成モデルとは一致しない。この同一の回
復時間はポンプパルスが2fJ/ パルスに減少した時に得
られる。SI−EMBH構造の増幅器の回復時間はバイ
アスとは独立で、100mA で 420±40psから120mA で 290
±60psまで変化する。この結果はキャリア蓄積領域を有
さない構造で予想される回復プロセスの(オージェ)支
配材料と一致する。計算回復時間(R(N)で表示され
た全部の項目を用いて得られる)は、第9図に示され、
測定データと良く一致する。
本発明はキャリア蓄積領域からのキャリア拡散を用い
て、半導体光学増幅器のゲイン回復時間を短縮すること
ができることを示した。短いゲイン回復時間を得る為
に、増幅器はキャリア蓄積領域が活性領域に隣接してい
る構造である必要がある。この種の構造のレーザは、活
性領域に隣接しているキャリア蓄積領域の浮遊シャント
容量に起因して、一般に変調応答が悪いと指摘されてい
る((R.S.Tucker,IEEE J.Lightwave Tech.,LT-3,1180(1
985))。旨く配置したキャリア蓄積領域を有する増幅器
は更に短い回復時間を有するよう使用することができ
る。短い回復時間は高ビット速度システムと2状態モー
ドで使用される増幅器の動作を改良する。
III.本発明の他の実施例 第1部で詳述したように、本発明の装置は半導体光学増
幅器とこの増幅器を使用した通信システムを含み、この
増幅器は、「キャリア蓄積」領域と「ゲイン」領域すな
わち、「活性」領域が相互に充分隣接し、キヤリアが
「キャリア蓄積」領域から「ゲイン」領域へ移動する時
間が、ゲイン領域のキャリアの真性ライフタイム以下で
あるようにする。ここでは、本発明の種々の変型例が記
載されるが、これらは全部本発明の範囲内に包含され
る。
第10図において、本発明の増幅器の実施例は埋設リッジ
導波路を有している。同図において、51は接点(通常金
属製)である。「バイアス」電流は層51から層56(基
板)に流れる。電流の閉込めは領域58によってなされ、
この領域58は、空気ギャップ領域か、電流阻止材料の領
域かのいずれかである。このような材料は絶縁物か、適
当にバイアスがかけられた半導体かのいずれかである。
55はドープされていないか、かるくn型にドープされた
材料のゲイン層である。この材料の厚さは実施例によっ
て変り、層55の材料は増幅する光の波長に依存する。特
に、実施例では層55ははInGaAsPである。層52は
接点層で、InGaAsPか、p+型にドープされたI
nGaAsで、層54はp型にドープされたInPであ
る。
第10図において、領域57は従来技術で公知のリッジ導波
路である。領域 55,57は異なるバンドギャップの領域で
ある。例えば、領域55は 1.3ミクロンの材料で、領域57
は 1.1ミクロンの材料である。あるいは、領域55は 1.5
ミクロンの材料で、領域57は 1.3ミクロンの材料であ
る。周知のように、リッジ導波路領域は、活性(ゲイ
ン)領域55に対して、「負荷」領域として動作する。こ
のリッジ導波路は、リッジ導波路下の領域に、図面に直
交する方向に層55中を進行する光を閉込める働きをす
る。
この実施例において、蓄積領域とゲイン領域は材料55の
同一層内で発生する。このゲイン領域はリッジ導波路の
下の領域である。それは、この領域は光が進行する唯一
の領域だからである。層55の残りの部分は蓄積領域であ
る。それは、層51から層56へ進行するバイアス電流は、
層55の全部をほぼ横切るからである。本実施例におい
て、電流の一部は、蓄積領域を通過し、その他はゲイン
領域を通過する。このような実施例において、光学放射
はある領域に閉込められる。このある領域とは光の伝搬
方向の長さが、その方向のゲイン領域の長さに等しく、
ゲイン領域に一致する。電流方向に直交する方向の表面
積は全部の全電流が閉込められるそれ以下である。
(注:この定義された領域を越えて、電流は閉込められ
たり、られなかったりする。この定義は単にこの特定領
域に注目する為である。)しかし、他の実施例では、電
流の流れる方向からみると、垂直方向に隣接したゲイン
領域と蓄積領域とを有し、従って、大部分の電流はゲイ
ン領域と蓄積領域とを通過する。この実施例では、光学
放射は、ある領域に閉込められる。このある領域とは光
の伝搬方向の長さが、その方向のゲイン領域の長さに等
しく、ゲイン領域に一致する。しかし、電流方向に直交
方向の表面積は電流に附随する表面積にほぼ等しい。こ
の実施例では、他の実施例と同様に、ゲイン領域あるい
は、蓄積領域の特性は変化し、多重量子井戸と呼称され
る多重材料層を含んでいる。さらに、本発明を満足させ
るには、単一の蓄積領域で充分である。
第11図において、層61は金属接点である。領域62はゲイ
ン領域で、領域63は蓄積領域である。領域62の反射係数
は領域63のそれとは異なり、その結果、光反射の領域62
への閉込めになる。電流は活性領域と蓄積領域に、再成
長した半絶縁性材料あるいは、適当な空気ギャップ(図
では64として示してある)により、閉込められる。
第12図は、他の実施例を示し、71は金属接点である。活
性領域即ち、ゲイン領域72は、電荷蓄積領域を含む領域
73とは異なる反射係数を有する。第13図は本発明のゲイ
ン領域と蓄積領域の垂直方向に隣接したものを示す。同
図で、71はゲイン領域で、72は蓄積領域である。73は電
流阻止領域で、74は金属接点、75は基板である。上述し
たように、「垂直方向隣接」装置では、光学放射は、あ
る領域に閉込められる。このある領域とは電流方向の直
交方向の表面積が、電流方向の附随する表面積にほぼ等
しい。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の光学増幅器の代表例を示す図、 第2図は本発明の光学増幅器のゲイン測定用の代表例を
示す図、 第3図は12ps,4GHHzのパルス列の平均入力(入力ファイ
バで測定した)の関数として光学増幅器のゲインと出力
を示す図、 第4図は入力ファイバで測定された93fJのパルスポンプ
入力とプローブパルス入力の光学増幅器のゲイン回復を
示す図、 第5図はCSBH構造の光学増幅器の代表例を示す図、 第6図はSI−EMBH構造の光学増幅器の代表例を示
す図、 第7図は第5図の増幅器の回復時間を示す図、 第8図は第6図の増幅器の回復時間を示す図、 第9図は第5、6図に示した増幅器のゲイン回復時間の
バイアス電流依存性を示す図、 第10図はリッジ導波路増幅器を含む本発明の他の実施例
を示す図、 第11図は光学放射が活性領域すなわちゲイン領域に、活
性領域に隣接する材料の反射係数を適宜選択することに
より、閉込める本発明の他の実施例を示す図、 第12図は光学放射を活性領域すなわちゲイン領域に閉込
める為に使用される反射係数の変化を示す本発明の他の
実施例の図、 第13図はゲイン領域と蓄積領域の垂直方向隣接を示す本
発明の他の実施例の図、
フロントページの続き (72)発明者 ロドニー スチュアート タッカー アメリカ合衆国,07728 ニュージャージ ィ,フリーホールド,アールディー2,ボ ックス346 (72)発明者 ジェイ エム.ウィゼンフェルド アメリカ合衆国,07738 ニュージャージ ィ,リンクロフト,コロネット アヴェニ ュー 14 (56)参考文献 特開 昭61−172392(JP,A)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】(a) (1) ゲイン領域と、 (2) ゲイン領域内を伝搬する光領域を、伝搬方向に直交
    する方向に回折効果以上に閉込める手段 を有する半導体光増幅器、 (b) 光データビット流、 (c) この光データビット流を光増幅器に結合する手段、 (d) 光増幅器より出力された増幅光データビット流を検
    知する手段、 からなる光通信装置において、 (a) 前記半導体光増幅器は、キャリア蓄積領域を有し、
    キャリア蓄積領域からゲイン領域へのキャリアの平均移
    動時間は、ゲイン領域のキャリアの真性ライフタイム以
    下で、 (b) 光データビット流のデータビット速度が1GHzを
    越えることを特徴とする光通信装置。
  2. 【請求項2】光領域は、キャリア蓄積領域内に導入され
    ないことを特徴とする請求項1記載の装置。
  3. 【請求項3】光放射を、その光の伝搬方向の長さが同方
    向のゲイン領域の長さにほぼ等しく、ゲイン領域にほぼ
    一致し、キャリア注入電流の直交方向の表面は、全キャ
    リア注入電流が閉込められる領域の表面よりも小さい領
    域に閉じ込めることを特徴とする請求項1記載の装置。
  4. 【請求項4】光放射は、その光の伝搬方向の長さが同方
    向のゲイン領域の長さにほぼ等しく、ゲイン領域にほぼ
    一致し、キャリア注入電流の直交方向の表面は、全キャ
    リア注入電流が閉込められる領域の表面積以上の領域に
    閉じ込めることを特徴とする請求項1記載の装置。
JP1215166A 1988-08-26 1989-08-23 光通信装置 Expired - Lifetime JPH0648744B2 (ja)

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