(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に下部クラッド層、活性層及び上部クラッド層が積層され、この上部クラッド層上に上部電極が装荷され、前記基板下に下部電極が装荷され、前記上部電極より前記活性層に電流を注入して前記活性層中を伝搬する光を増幅する半導体光増幅器において、前記活性層が光の伝搬方向に並ぶ３つの活性層に分割され、前記３つの活性層は、組成成分が互いに共通でエネルギ・ギャップがそれぞれ異なる材料で構成され、光の入射側に位置する第一活性層には光の伝搬方向に層厚が減ずるテーパ部Ａが形成され、光の出射側に位置する第三活性層には光の伝搬方向とは逆方向に層厚が減ずるテーパ部Ｃが形成され、前記第一活性層と前記第三活性層との中間に位置する第二活性層には、光の伝搬方向とは逆方向に層厚が減ずるテーパ部Ｄと光の伝搬方向に層厚が減ずるテーパ部Ｂとが形成され、前記テーパ部Ａと前記テーパ部Ｄとが光結合するように互いに接して積層され、かつ前記テーパ部Ｂと前記テーパ部Ｃとが光結合するように互いに接して積層されていることを特徴とする広帯域半導体光増幅器。
【請求項２】
前記第一活性層の入射端の層厚と前記第三活性層の出射端の層厚とが互いに等しいか近似していることを特徴とする請求項１記載の広帯域半導体光増幅器。
【請求項３】
前記３つの活性層は、材料の組成比が互いに異なることによりエネルギ・ギャップが互いに異なることを特徴とする請求項１又は２記載の広帯域半導体光増幅器。
【請求項４】
前記第一活性層のエネルギ・ギャップと前記第三活性層のエネルギ・ギャップとがほぼ等しいことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の広帯域半導体光増幅器。
【請求項５】
前記テーパ部Ａと前記テーパ部Ｄとの光結合部の上部電極に分離溝が設けられ、かつ前記テーパ部Ｂと前記テーパ部Ｃとの光結合部の上部電極に分離溝が設けられることにより、上部電極が３つに分離され、分離されたそれぞれの上部電極より独立に電流を注入できることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の広帯域半導体光増幅器。
【請求項６】
前記活性層の入出射端に窓領域が設けられていることを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の広帯域半導体光増幅器。
【請求項７】
前記活性層がバルク構造、量子井戸構造又は歪量子井戸構造からなることを特徴とする請求項１〜６いずれか記載の広帯域半導体光増幅器。
【請求項８】
前記第一活性層と前記第二活性層との間及び前記第二活性層と前記第三活性層との間に障壁層が設けられていることを特徴とする請求項１〜７いずれか記載の広帯域半導体光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、活性層に電流を注入することにより、活性層中を伝搬する光が増幅されるようにした半導体光増幅器に係り、特に、広帯域に亘って平坦な利得特性を有する広帯域半導体光増幅器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
波長多重伝送を用いた高速、大容量、長距離伝送方式及びそれに用いる光デバイスの研究開発が活発に行われている。上記方式を実現する上で広帯域な光増幅器は必須のデバイスである。この光増幅器として小型化、低コスト化が期待できる半導体光増幅器が注目され、その広帯域化のための構成に関する提案が多く行われるようになってきた。その一つに、図９に示すものがある（特開平４−２９１９８３号）。これは、半導体光増幅器において、活性層４３ａ，４３ｂと光導波路４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂの一方又はその両方の光の進行方向の途中に単数又は複数の屈折率が変化する部分を備え、これらの屈折率が変化する部分の間で各々が光結合した複合共振器が形成されるよう構成したものである。また、上記それぞれの複合共振器に電極４６ａ，４６ｂを設け、各電極から注入する電流によって複合共振器の共振ピークを独立に制御できるように構成したものである。
【０００３】
また、別の広帯域化のための構成として、図１０に示されるように、活性層６４を２層以上の積層構造（６６，６８）とし、上記活性層を構成する各層６６，６８を同一の組成成分であるがエネルギ・ギャップが互いに異なる材料で構成し、各層の膜厚を互いに同一の値とするか又は互いに近い値とする構成が提案されている（特開平３−７６１８６号）。
【０００４】
さらに、特開平６−２８３８２４号には、活性領域が光閉じ込め層と、少なくとも一層が他層と厚さが相違し、かつ格子不整合とされた複数の量子井戸層と、各量子井戸層間に量子井戸層に接して形成された障壁層とで構成されたものも提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体光増幅器の広帯域化方式には次のような課題がある。
【０００６】
（１）図９の構成は、２０〜３０ｎｍの波長範囲では、ある程度の平坦な利得特性を得ることが可能と考えられるが、それよりも広帯域化は期待できない。なぜならば、第一共振器の活性層の材料と第二共振器の活性層の材料とが同じであるからである。また、これら２つの共振器の材料を異ならせることが製法上難しいからである。
【０００７】
（２）図１０の構成では活性層６４をエネルギ・ギャップの異なる２層以上の積層構造とすることによって広帯域化を図るものであるが、積層された活性層の全厚みを必然的に厚くしなければならないので、厚み方向の光閉じ込め効果が弱くなると共に、しきい値電流の上昇などにより光出力の減少を招く。
【０００８】
（３）特開平６−２８３８２４号の構成も（２）と同様の問題点がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、広帯域に亘って平坦な利得特性を有する広帯域半導体光増幅器を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、基板上に下部クラッド層、活性層及び上部クラッド層が積層され、この上部クラッド層上に上部電極が装荷され、前記基板下に下部電極が装荷され、前記上部電極より前記活性層に電流を注入して前記活性層中を伝搬する光を増幅する半導体光増幅器において、前記活性層が光の伝搬方向に並ぶ３つの活性層に分割され、前記３つの活性層は、組成成分が互いに共通でエネルギ・ギャップがそれぞれ異なる材料で構成され、光の入射側に位置する第一活性層には光の伝搬方向に層厚が減ずるテーパ部Ａが形成され、光の出射側に位置する第三活性層には光の伝搬方向とは逆方向に層厚が減ずるテーパ部Ｃが形成され、前記第一活性層と前記第三活性層との中間に位置する第二活性層には、光の伝搬方向とは逆方向に層厚が減ずるテーパ部Ｄと光の伝搬方向に層厚が減ずるテーパ部Ｂとが形成され、前記テーパ部Ａと前記テーパ部Ｄとが光結合するように互いに接して積層され、かつ前記テーパ部Ｂと前記テーパ部Ｃとが光結合するように互いに接して積層されているものである。
【００１２】
前記第一活性層の入射端の層厚と前記第三活性層の出射端の層厚とが互いに等しいか近似してもよい。
【００１３】
前記３つの活性層は、材料の組成比が互いに異なることによりエネルギ・ギャップが互いに異なってもよい。
【００１４】
前記第一活性層のエネルギ・ギャップと前記第三活性層のエネルギ・ギャップとがほぼ等しくてもよい。
【００１５】
前記テーパ部Ａと前記テーパ部Ｄとの光結合部の上部電極に分離溝が設けられ、かつ前記テーパ部Ｂと前記テーパ部Ｃとの光結合部の上部電極に分離溝が設けられることにより、上部電極が３つに分離され、分離されたそれぞれの上部電極より独立に電流を注入できてもよい。
【００１６】
前記活性層の入出射端に窓領域が設けられてもよい。
【００１７】
前記活性層がバルク構造、量子井戸構造又は歪量子井戸構造からなってもよい。
【００１８】
前記第一活性層と前記第二活性層との間及び前記第二活性層と前記第三活性層との間に障壁層が設けられてもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２０】
図１に示されるように、本発明の広帯域半導体光増幅器は、ＩｎＰ（ｎ＋  ）基板１上に、下部クラッド層となるＩｎＰ（ｎ）クラッド層２、活性層３、上部クラッド層となるＩｎＰ（ｐ）クラッド層４、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５を積層し、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５上に上部電極６を装荷し、ＩｎＰ（ｎ＋  ）基板１下に下部電極７を装荷したものである。８−１，８−２は、光の入射端面及び出射端面に施した無反射コーティング層、９は、しきい値電流以下の順方向電流Ｉｋを注入する端子である。１０は、入射端面へ入射させる信号光を示し、１１は、出射端面より出射される増幅された信号光を示す。
【００２１】
本発明の特徴として、活性層３が光の伝搬方向に並ぶ３つの活性層３−１，３−２，３−３に分割されている。光の入射側に位置する活性層３−１を第一活性層と呼び、出射側に位置する活性層３−３を第三活性層と呼び、第一活性層と第三活性層との中間に位置する活性層３−２を第二活性層と呼ぶことにする。これら３つの活性層３−１，３−２，３−３は、上面と下面とがＩｎＰ（ｎ＋  ）基板１に平行な一定層厚部と、この一定層厚部に連なり先細りしたテーパ部Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを有する。第一活性層３−１には入射端を構成する一定層厚部と光の伝搬方向に層厚が減ずるテーパ部Ａが形成され、第三活性層３−３には出射端を構成する一定層厚部と光の伝搬方向とは逆方向に層厚が減ずるテーパ部Ｃが形成され、第二活性層３−２には、光の伝搬方向とは逆方向に層厚が減ずるテーパ部Ｄと一定層厚部と光の伝搬方向に層厚が減ずるテーパ部Ｂとが形成されている。テーパ部Ａは、ＩｎＰ（ｎ＋  ）基板１に平行な上面と、厚さがなくなるまで傾斜した下面とを有し、テーパ部Ｄは、基板１に平行な下面と、厚さがなくなるまで傾斜した上面とを有し、これらテーパ部Ａ，Ｄは、互いに基板１に平行な面同士を合わせて積層されている。また、テーパ部Ｃは、ＩｎＰ（ｎ＋  ）基板１に平行な上面と、厚さがなくなるまで傾斜した下面とを有し、テーパ部Ｂは、基板１に平行な下面と、厚さがなくなるまで傾斜した上面とを有し、これらテーパ部Ｃ，Ｂは、互いに基板１に平行な面同士を合わせて積層されている。各テーパ部Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの厚さがなくなる先端は、積層される相手の活性層３−１，３−２，３−３の一定層厚部に達している。このような活性層同士の積層による光結合部分を光結合部と呼ぶことにする。
【００２２】
また、本発明の特徴として、これら３つの活性層３−１，３−２，３−３は、組成成分が互いに共通でエネルギ・ギャップが互いに異なる材料で構成されている。即ち、第一活性層３−１は、組成成分としてＩｎ，Ｇａ，Ａｓ，Ｐを有し、バンド・ギャップ波長がλｌとなるような材料Ｉｎ１−ｘ  Ｇａｘ  Ａｓ１−ｙ  Ｐｙ  で構成され、第二活性層３−２は、組成成分としてＩｎ，Ｇａ，Ａｓ，Ｐを有し、バンド・ギャップ波長がλｍとなるような材料Ｉｎ１−ｑ  Ｇａｑ  Ａｓ１−ｒ  Ｐｒ  で構成され、第三活性層３−３は、組成成分としてＩｎ，Ｇａ，Ａｓ，Ｐを有し、バンド・ギャップ波長がλｓとなるような材料Ｉｎ１−ｖ  Ｇａｖ  Ａｓ１−ｗ  Ｐｗ  で構成されている。バンド・ギャップ波長λｌは、バンド・ギャップ波長λｍよりも長く、バンド・ギャップ波長λｍはバンド・ギャップ波長λｓより長いものとする。
【００２３】
このように、本発明の広帯域半導体光増幅器は、バンド・ギャップ波長の異なる３種類の活性層３−１，３−２，３−３をカスケードに構成し、各テーパ部の水平面が相手の活性層に接するように各活性層を積層して光結合させてある。この構成により、第一活性層３−１内に入射して伝搬する信号光１０は、第二活性層３−２に効率良く光結合して第二活性層３−２内を伝搬する。さらに、第二活性層３−２内を伝搬した信号光は、活性層３−３に効率良く光結合して第三活性層３−３内を伝搬する。第三活性層３−３から、増幅された信号光１１が出射される。
【００２４】
この広帯域半導体光増幅器は、各活性層のバンド・ギャップ波長が異なるので、それぞれの活性層で異なる中心波長の利得特性を有することになり、全体として波長の広帯域に亘って平坦な利得特性を得ることができる。
【００２５】
３つの活性層３−１，３−２，３−３のバンド・ギャップ波長λｌ，λｍ，λｓを異ならせる方法として、材料Ｉｎ１−ｘ  Ｇａｘ  Ａｓ１−ｙ  Ｐｙ  、材料Ｉｎ１−ｑ  Ｇａｑ  Ａｓ１−ｒ  Ｐｒ  及び材料ｕ  Ｉｎ１−ｖ  Ｇａｖ  Ａｓ１−ｗ  Ｐｗ  のｘ，ｙ，ｑ，ｒ，ｖ，ｗの値を異ならせる。即ち、共通の組成成分を有するがエネルギ・ギャップが異なる材料で３つの活性層３−１，３−２，３−３を構成する。
【００２６】
また、バンド・ギャップ波長λｌ，λｍ，λｓを異ならせる方法として、材料の組成比を異ならせるようにしてもよい。
【００２７】
次に、本発明の広帯域半導体光増幅器の他の実施形態を説明する。
【００２８】
図２に示した広帯域半導体光増幅器は、図１の構成において第三活性層３−３の材料を変更したものであり、図１と符号の同じ部材は同一部材であるから説明を省略する。図２の構成では、第三活性層（符号を３−１に改めてある）に第一活性層３−１と同じ材料を使用している。この広帯域半導体光増幅器は、左右対称の構造を有していることから、入射光１０を無反射コーティング層８−１，８−２のいずれから入射しても同等の作用効果を得ることができる。
【００２９】
図３に示した広帯域半導体光増幅器は、図１の構成において各活性層の上下位置関係を変更したものである。即ち、図１では、第一活性層３−１と第三活性層３−３とが第二活性層３−２より下に位置していたが、図２では、第一活性層３−１と第三活性層３−３とが第二活性層３−２より上に位置している。この構成を得るための製造工程では、第二活性層３−２を形成した後に第一活性層３−１（又は第三活性層３−３）を形成し、次いで第三活性層３−３（又は第一活性層３−１）を形成することになる。
【００３０】
図４に示した広帯域半導体光増幅器は、図３の構成において図２の構成と同様に第三活性層（３−１）に第一活性層３−１と同じ材料を使用している。
【００３１】
図５に示した広帯域半導体光増幅器は、図１の構成においてテーパ部Ａとテーパ部Ｄとの光結合部及びテーパ部Ｂとテーパ部Ｃとの光結合部の上部電極６にそれぞれ電極分離溝１２−１，１２−２を設けて３つの上部電極６−１，６−２，６−３に分離し、分離されたそれぞれの上部電極より独立に電流Ｉｋ１  ，Ｉｋ２  ，Ｉｋ３  を注入できるように、端子９−１，９−２，９−３を設けたものである。この構成により、３つの活性層３−１，３−２，３−３には互いに独立な電流Ｉｋ１  ，Ｉｋ２  ，Ｉｋ３  が注入されるので、各活性層における利得を独立に制御することができる。このように利得特性の中心波長の異なる活性層毎に独立に電流を注入して利得を独立に制御することによって、全体の利得特性を平坦にすることが容易になる。即ち、従来技術の利得特性を約３倍の帯域に広げることができる。
【００３２】
図６に示した広帯域半導体光増幅器は、図２の構成と同様に第三活性層（３−１）に第一活性層３−１と同じ材料を使用したものについて、図５の構成と同様に電極分離溝１２−１，１２−２を設けて３つの上部電極６−１，６−２，６−３を分離形成し、独立に電流Ｉｋ１  ，Ｉｋ２  ，Ｉｋ３  を注入できるようにしたものである。
【００３３】
図７に示した広帯域半導体光増幅器は、図３の構成と同様に各活性層の上下位置関係を変更したものについて、図５の構成と同様に電極分離溝１２−１，１２−２を設けて３つの上部電極６−１，６−２，６−３を分離形成し、独立に電流Ｉｋ１  ，Ｉｋ２  ，Ｉｋ３  を注入できるようにしたものである。
【００３４】
図８に示した広帯域半導体光増幅器は、図４の構成と同様に各活性層の上下位置関係を変更し、かつ第三活性層（３−１）に第一活性層３−１と同じ材料を使用したものについて、図５の構成と同様に電極分離溝１２−１，１２−２を設けて３つの上部電極６−１，６−２，６−３を分離形成し、独立に電流Ｉｋ１  ，Ｉｋ２  ，Ｉｋ３  を注入できるようにしたものである。
【００３５】
上記各実施形態において、活性層３にはバルク構造、量子井戸構造又は歪量子井戸構造のいずれを用いてもよい。活性層３に歪量子井戸構造を用いると、利得の偏波依存性を低く抑えることができる。
【００３６】
また、２つの活性層３−１，３−２間に障壁層を設けてもよい。２つの活性層３−１，３−２間に障壁層を挿入することによって、さらに広帯域化と低偏波依存化とを実現することができる。
【００３７】
さらに、図１〜図８の構成において、活性層３−１，３−３の下部にＩｎＧａＡｓＰ光導波路を設け、第二活性層３−２の上部にＩｎＧａＡｓＰ光導波路を設け、かつこれら光導波路の屈折率を各活性層の屈折率よりも低い値にしておくとよい。このような構成にすると、各活性層間の光の伝搬を効率良く行わせることができる。
【００３８】
また、図１〜図８の構成において、活性層３の入射端及び出射端付近に、活性層３が途切れた形のいわゆる窓領域を形成してもよい。窓領域は、活性層３を水平方向に挟むクラッド層と同じ材料でクラッド層と連続一体的に形成される。窓領域を設けることによって、利得の偏波依存性を小さくすることができる。
【００３９】
さらに、図１〜図８の構成において、広帯域半導体光増幅器の入射端と出射端とにスポットサイズ変換用のテーパ構造型光導波部を付加してもよい。スポットサイズ変換用の光導波部は、光導波路のコア断面積を目的のスポットサイズになるように徐々に変化させたものであり、例えば、広帯域半導体光増幅器の活性層３の層厚と同じ厚さのコアを入出射用の光ファイバのスポットサイズに近づくように徐々に変化させてある。このようにすると、光導波部と光ファイバとの光結合が効率よく、かつ光導波部と広帯域半導体光増幅器との光結合が効率よくなるので、光ファイバと広帯域半導体光増幅器との光結合が効率よくなる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明は、次の如き優れた効果を発揮する。
【００４１】
（１）活性層を３つの活性層に分割し光の伝搬方向に並べることにより、波長帯の異なる３つの光増幅部をカスケード状につなぐことができ、しかも、この３つの光増幅部は一体化されているので、今までにない超広帯域半導体光増幅器を実現することができる。
【００４２】
（２）上部電極を分離することにより、３つの波長帯の光増幅部をそれぞれ独立に制御できるので、高利得で平坦な利得特性を得ることができる。
【００４３】
（３）３つの活性層がテーパ部を接して積層されるという非常に効率のよい結合方式で結合され、しかも、この光結合部からの反射光は生じない構造であるので、非常に安定に動作する光増幅器を実現することができる。
【００４４】
（４）簡素な構造であるため、製造が容易であり、低コスト化を期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す広帯域半導体光増幅器の光の伝搬方向に沿った垂直断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態を示す広帯域半導体光増幅器の光の伝搬方向に沿った垂直断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態を示す広帯域半導体光増幅器の光の伝搬方向に沿った垂直断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態を示す広帯域半導体光増幅器の光の伝搬方向に沿った垂直断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態を示す広帯域半導体光増幅器の光の伝搬方向に沿った垂直断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態を示す広帯域半導体光増幅器の光の伝搬方向に沿った垂直断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態を示す広帯域半導体光増幅器の光の伝搬方向に沿った垂直断面図である。
【図８】本発明の他の実施形態を示す広帯域半導体光増幅器の光の伝搬方向に沿った垂直断面図である。
【図９】従来の半導体光増幅器の光の伝搬方向に沿った垂直断面図である。
【図１０】従来の半導体光増幅器の光の伝搬方向に直交する垂直断面図である。
【符号の説明】
１  ＩｎＰ（ｎ＋  ）基板
２  ＩｎＰ（ｎ）クラッド層（下部クラッド層）
３  活性層
３−１  第一活性層（第三活性層）
３−２  第二活性層
３−３  第三活性層
４  ＩｎＰ（ｐ）クラッド層（上部クラッド層）
５  ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
６、６−１、６−２  上部電極
７  下部電極
８−１、８−２  無反射コーティング層
１２−１、１２−２  電極分離溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0003633296.tif 000010
【図１０】
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