(57)【要約】      （修正有）【課題】信号強度の変動に対して利得変動が少なく、かつ利得を調整可能な半導体光増幅器および利得調整方法を提供する。【解決手段】電流注入により利得を得る利得領域４２と、光導波路方向における利得領域の前段および後段に設けた反射器４０、４３とによりレーザ光を発振する半導体光増幅器は、利得領域に隣接して設けた利得調整領域４１をさらに備え、反射器の反射波長を利得領域のバンドギャップ波長よりも短波長に設定し、利得調整領域に電圧印加して反射器間の光導波路における光損失を増加させることにより利得領域で得られる利得を調整する。利得調整方法は、反射器の反射波長を利得領域のバンドギャップ波長よりも短波長に設定するステップと、利得調整領域に電圧印加するステップと、利得領域に電流を注入するステップと、を含み、注入する電流量は、電圧印加によって反射器間の光導波路において増加した光損失に応じた値に設定する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流注入により利得を得る利得領域と、光導波路方向における該利得領域の前段および後段に設けられた反射器とによりレーザ光を発振する半導体光増幅器であって、
前記利得領域に隣接して設けられた利得調整領域をさらに備え、前記反射器の反射波長を前記利得領域のバンドギャップ波長よりも短波長に設定し、前記利得調整領域に電圧印加して前記反射器間の光導波路における光損失を増加させることにより前記利得領域で得られる利得を調整することを特徴とする半導体光増幅器。
【請求項２】
前記反射器は、分布ブラッグ反射器であることを特徴とする請求項１に記載の半導体光増幅器。
【請求項３】
電流注入により利得を得る利得領域と、光伝搬方向における該利得領域の前段および後段に設けられた反射器とによりレーザ光を発振する半導体光増幅器における利得を調整する利得調整方法であって、
前記反射器の反射波長を前記利得領域のバンドギャップ波長よりも短波長に設定するステップと、
前記利得領域に隣接した利得調整領域を設けて、該利得調整領域に電圧印加するステップと、
前記利得領域に電流を注入するステップと、を含み、
前記電流を注入するステップにおいて注入する電流量は、前記電圧印加によって前記反射器間の光導波路において増加した光損失に応じた値に設定されることを特徴とする利得調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信用の伝送装置及び光信号処理装置に関するものであり、より詳細には、光信号を増幅する半導体光増幅器および利得調整方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信システムにおいて、光伝搬に伴う損失を補償する光増幅は必須の技術である。半導体光増幅器は小型で集積化が容易であることから、集積光源素子等、光回路内の光増幅器に加え、ゲート素子や波長変換素子への活用が期待されている。
【０００３】
一般的な半導体光増幅器の構成を図１に示す。図１において（ａ）は半導体光増幅器のコア部分についての光伝搬方向と垂直な方向における断面図であり、（ｂ）は半導体光増幅器を光伝搬方向に向かって見た図である。図１に示すように、半導体光増幅器は、その素子構造は半導体レーザの光の伝搬方向の両端面に無反射コーティングを施した構造である。図１（ｂ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１２上にｐ型ＩｎＰクラッド層１４で埋め込まれたＩｎＧａＡｓＰ活性層１３が形成され、メサの両側にはｎ型ＩｎＰキャリアストップ層１２が形成されている。素子上面にはｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１５、素子の上下にはｐ型電極１６、ｎ型電極１１が形成されている。コア部分以外では、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１５とｐ型電極１６との間にＳｉＯ２絶縁膜１７が形成されている。両電極１１、１６間に電流を流すとＩｎＧａＡｓＰ活性層１３においてバンド間遷移による誘導放出が生じ、入力光が増幅される。同様の構造は非特許文献１、２等において開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】N. Yoshimoto et al, “Four-channel polarization-insensitive SOA gate array integrated with butt-jointed spot-size converters,” Electronics Letters, vol. 33, no. 24, p. 2045.
【非特許文献２】K. Morito et al, “High-output-power polarization-insensitive semiconductor optical amplifier,” Journal of Lightwave Technology, vol. 21, no. 1, p 176.
【非特許文献３】M. Bachmann et al, “Polarisation-insensitive clamped-gain SOA with integrated spot-size convertor and DBR gratings for WDM applications at 1.55 μm wavelength,” Electronics Letters, vol. 32, no. 22, p. 2076.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の半導体光増幅器における典型的な入力光パワーと光利得の関係を図２に示す。図２からも明らかなように、従来の半導体光増幅器では、入力光パワーの増大に伴い光利得が大幅に低下する。これは入力光パワーの増大に従い活性層利得の非線形性に起因するキャリア密度の減少が生じるためである。このように、従来型の半導体光増幅器においては、入力光パワー変動に光増幅が依存するため、信号強度により利得が変化してしまうことや、光信号が増幅後に波形歪を生じる問題があった。
【０００６】
従来の半導体光増幅器における上記問題の解決手段として、特許文献３には、レーザの発振状態で活性層内のキャリア密度が一定値となることを利用し、活性層スペクトルの一部を発振させることで活性層内のキャリア密度を固定して利得を一定化する、ゲインクランプ型の半導体光増幅器が開示されている。
【０００７】
しかしながら、これらの半導体光増幅器において使用できる利得の値は一定に固定され、所望の利得を得ることができないことから、システムに柔軟に対応できない。
【０００８】
本発明は上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、信号強度の変動に対して利得変動が少なく、かつ利得を調整可能な半導体光増幅器および利得調整方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、電流注入により利得を得る利得領域と、光導波路方向における該利得領域の前段および後段に設けられた反射器とによりレーザ光を発振する半導体光増幅器であって、前記利得領域に隣接して設けられた利得調整領域をさらに備え、前記反射器の反射波長を前記利得領域のバンドギャップ波長よりも短波長に設定し、前記利得調整領域に電圧印加して前記反射器間の光導波路における光損失を増加させることにより前記利得領域で得られる利得を調整することを特徴とする半導体光増幅器である。
【００１０】
他の実施形態に記載された発明は、電流注入により利得を得る利得領域と、光伝搬方向における該利得領域の前段および後段に設けられた反射器とによりレーザ光を発振する半導体光増幅器における利得を調整する利得調整方法であって、前記反射器の反射波長を前記利得領域のバンドギャップ波長よりも短波長に設定するステップと、前記利得領域に隣接した利得調整領域を設けて、該利得調整領域に電圧印加するステップと、前記利得領域に電流を注入するステップと、を含み、前記電流を注入するステップにおいて注入する電流量は、前記電圧印加によって前記反射器間の光導波路において増加した光損失に応じた値に設定されることを特徴とする利得調整方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、信号強度の変動に対して利得変動が少なく、かつ利得を調整可能な半導体光増幅器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来型半導体光増幅器の説明図である。
【図２】従来型半導体光増幅器の入力光パワー−利得特性を説明する図である。
【図３】本発明の半導体光増幅器の説明図である。
【図４】本発明の半導体光増幅器の発光スペクトルを示すものである。
【図５】本発明の利得調整領域の動作を説明する図である。
【図６】本発明の半導体光増幅器の電流−利得特性を説明する図である。
【図７】本発明の半導体光増幅器の入力光パワー−利得特性を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００１４】
図３は、本実施形態にかかる半導体光増幅器の構造を示す図である。図３において、（ａ）は半導体光増幅器のコア部分についての光伝搬方向と垂直な方向における断面図であり、（ｂ）は半導体光増幅器の断面を光伝搬方向に向かって見た図である。半導体光増幅器には、光伝搬方向（導波路方向）において、利得調整領域４１と、利得領域４２と、該利得調整領域４１および利得領域４２との前後に設けられた分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域４０、４３とが形成されている。各領域長は例えばそれぞれ１００μｍ、３００μｍ、４００μｍとすることができる。半導体光増幅器の導波路方向の両端には、波長１．５５μｍでの無反射コーティングが形成されている。
【００１５】
半導体光増幅器の断面は、ドーピング濃度２×１０１８ｃｍ−３のｎ型ＩｎＰ基板３２上に、ドーピング濃度１×１０１８ｃｍ−３のｐ型ＩｎＰクラッド層３５で埋め込まれたバンドギャップ波長１．５５μｍ、高さ０．４μｍ、幅０．４μｍのコア層３８がメサに形成されている。さらに、メサの両側にはドーピング濃度１×１０１８ｃｍ−３のｎ型ＩｎＰキャリアストップ層３２が形成されている。素子上面にはｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３６が形成され、素子の上下にはｎ型電極３１、ｐ型電極３７が形成されている。
【００１６】
コア層３８は、利得領域４２ではバンドギャップ波長１．５５μｍのバルクＩｎＧａＡｓＰで作製され、ＤＢＲ領域４０、４３と利得調整領域４１ではバンドギャップ波長１．４５μｍのバルクＩｎＧａＡｓＰで作製される。また、ＤＢＲ領域４０、４３の分布ブラッグ反射器（回折格子３４）の反射スペクトルの中心波長は、光増幅に用いる波長領域（この例では１．５５μｍ）より短波長に設定し、１．５μｍとする。
【００１７】
半導体光増幅器はエピタキシャル成長としては有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、導波路作成としてはドライエッチング、ウェットエッチング等、一般的な化合物半導体プロセスにより作製できる。
【００１８】
上記構造を有する半導体光増幅器の動作特性を説明する。図４は半導体光増幅器の電流注入にともなう発光スペクトルの変化を示すものである。図４によれば、半導体光増幅器においては、電流量を増加させると活性層のバンド間遷移による発光スペクトルが現れることが判る。このとき、電流量が低い領域においては発光強度が増大するが、１００ｍＡ以上流すと、ＤＢＲ反射スペクトルの中心波長に対応する波長１．５μｍ付近で、急峻な発光が生じる。すなわち、この電流範囲においては波長１．５μｍにおけるレーザ発振が生じている。さらに電流量を増加させると、波長１．５μｍにおける発光強度は増大していくが、その他の波長領域においてはスペクトルが変化しない。すなわち、電流量１００ｍＡ以上の範囲においては、活性層内のキャリア密度が一定となっており、電流量によらず活性層利得がほぼ一定となっていることがわかる。
【００１９】
利得値の調整は、利得調整領域に逆バイアスを印加することにより行う。図５に、利得調整領域に逆バイアスを印加した場合の利得調整領域の光吸収スペクトルを示す。図５によれば、電圧印加に伴い、フランツ・ケルディッシュ効果によって半導体光増幅器内の光導波路の吸収端が長波長側にシフトし、波長１．５μｍ付近での吸収係数が増加することが判る。電流量１００ｍＡ以上の場合、すなわち波長１．５μｍで発振している状態を考えると、利得調整領域４１への逆バイアス印加によって、導波路損失が増加することにより、利得領域４２において発振にかかる閾値電流が増大し、併せてキャリア密度が増大する。一方、信号波長に対応する波長１．５５μｍ付近の吸収損は逆バイアス印加時においてもほとんど増加していない。すなわち、利得調整領域に逆バイアスを印加すると、信号波長に対応する波長１．５５μｍ付近の利得量は増大することが判る。
【００２０】
図６に、以上の動作原理を踏まえた、半導体光増幅器における波長１．５５μｍ光に対する電流−利得曲線を示す。図６によれば、電流量の増大に伴い活性層利得が増大し、図４に示した波長１．５μｍにおける発振閾値電流以上の領域では利得量が一定となることが判る。また、利得調整領域の電圧を増加させると、利得の値が増加することも判る。
【００２１】
また、上記半導体光増幅器における利得を調整する利得調整方法は、分布ブラッグ反射器３４の反射波長を利得領域４２のバンドギャップ波長よりも短波長に設定するステップと、利得領域４２に隣接した利得調整領域４１を設けて、利得調整領域４１に電圧印加するステップと、利得領域４２に電流を注入するステップと、を含み、電流を注入するステップにおいて注入する電流量は、電圧印加によって反射器３４間の光導波路において増加した光損失に応じた値に設定されるものである。
【００２２】
図７に、利得の入力光パワー依存性を示す。電流量は２００ｍＡである。図７に示すように、本実施形態の半導体光増幅器または利得調整方法によれば、広い入力レンジにおいて利得が一定であり、かつ利得調整領域のバイアスによって利得の値を調整することができる。
【００２３】
本実施例においては、ＩｎＧａＡｓＰ材料を用いたが、ＩｎＡｌＧａＡｓ材料などその他の設計変更を行うことができる。また、利得調整領域をバルク構造としたが、量子井戸構造にして、量子閉じ込めシュタルク効果を用いた構成にすることもできる。また、素子断面は埋め込み構造としたが、リッジ構造など、その他の導波構造を用いることもできる。
【符号の説明】
【００２４】
１１  ｎ型電極
１２  ｎ型ＩｎＰ基板、ｎ型ＩｎＰキャリアストップ層
１３  ＩｎＧａＡｓＰ活性層
１４  ｐ型ＩｎＰクラッド層
１５  ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１６  ｐ型電極
１７  ＳｉＯ２絶縁膜
３１  ｎ型電極
３２  ｎ型ＩｎＰ基板、ｎ型ＩｎＰキャリアストップ層
３５  ｐ型ＩｎＰクラッド層
３６  ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
３７  ｐ型電極
３８  コア層
３９  ＳｉＯ２絶縁膜
４１  利得調整領域
４２  利得領域
４０、４３  分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）領域
【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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