(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体光増幅器による増幅された出力光信号強度を検知する方法を、高信頼化と共に低コスト化のもとに実現する半導体光増幅デバイスを提供する。【解決手段】半導体光増幅器（ＳＯＡ）１と、光増幅率検知用素子（ＭＰＤ）６とを有する、半導体光増幅デバイスであって、ＳＯＡは半導体ｐｎ接合からなる光導波路構造を有し、ＭＰＤは光導波路構造上にはない位置でかつＳＯＡからの自然放出光を受光できる位置に構成されるフォトダイオードとして機能するｐｎ接合構造を有し、ｐｎ接合構造は外部から入力される光の波長帯より短波長のバンドギャップエネルギーを持つ半導体材料からなり、ｐｎ接合構造からの検知信号によって自然放出光強度を常時検知し、検知信号を用いて半導体光増幅器への注入電流を制御することによって、半導体光増幅デバイスの光増幅率を安定化させる。【選択図】図５
2014170844.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体光増幅器（ＳＯＡ）と、
光増幅率検知用素子（ＭＰＤ）と
を有する、前記ＳＯＡに順方向に電流を注入することによって入力する光強度を増幅して出力する半導体光増幅デバイスであって、
前記ＳＯＡは半導体ｐｎ接合からなる光導波路構造を有し、
前記ＭＰＤは前記光導波路構造上にはない位置でかつ前記ＳＯＡからの自然放出光を受光できる位置に構成されるフォトダイオードとして機能するｐｎ接合構造を有し、
前記ｐｎ接合構造は外部から入力される光の波長帯より短波長のバンドギャップエネルギーを持つ半導体材料からなり、
前記ｐｎ接合構造からの検知信号によって自然放出光強度を常時検知し、前記検知信号を用いて半導体光増幅器への注入電流を制御することによって、半導体光増幅デバイスの光増幅率を安定化させることを特徴とする半導体光増幅デバイス。
【請求項２】
前記ＳＯＡは、ｎ側電極と、前記ｎ側電極の上にｎ−ＩｎＰ基板と、前記ｎ−ＩｎＰ基板の上に第１のｎ―クラッド層と、前記ｎ―クラッド層の上にＳＯＡコア層と、前記ＳＯＡコア層の上に第１のｐ―クラッド層と、前記ｐ―クラッド層の上に第１のｐ側電極とから構成され、
前記ＭＰＤは、前記ｎ側電極と、前記ｎ−ＩｎＰ基板と、前記ｎ−ＩｎＰ基板の上に第２のｎ―クラッド層と、前記ｎ―クラッド層の上にＭＰＤ吸収層と、前記ＭＰＤ吸収層の上に第２のｐ―クラッド層と、前記第２のｐ―クラッド層の上に第２のｐ側電極とから構成され、
前記ＳＯＡは２つの無反射コーティング膜の間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体光増幅デバイス。
【請求項３】
前記ＳＯＡは、ｎ側電極と、前記ｎ側電極の上にｎ−ＩｎＰ基板と、前記ｎ−ＩｎＰ基板の上に第１のｎ―クラッド層と、前記ｎ―クラッド層の上にＳＯＡコア層と、前記ＳＯＡコア層の上に第１のｐ―クラッド層と、前記ｐ―クラッド層の上に第１のｐ側電極とから構成され、
前記ＭＰＤは、前記ｎ側電極と、前記ｎ−ＩｎＰ基板と、前記第１のｎ―クラッド層と、前記ＳＯＡコア層と、前記ＳＯＡコア層の上に第２のｐ―クラッド層と、前記第２のｐ―クラッド層の上にＭＰＤ吸収層と、前記ＭＰＤ吸収層の上に第２のｎ―クラッド層と、前記ｎ―クラッド層の上に第２のｎ側電極と、前記第２のｐ―クラッド層の上に、第２のｐ側電極とから構成され、
前記ＳＯＡは２つの無反射コーティング膜の間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体光増幅デバイス。
【請求項４】
半導体光増幅デバイスの光増幅率を安定化させる方法であって、
半導体ｐｎ接合からなる光導波路構造を有する半導体光増幅器（ＳＯＡ）に外部から光を入射し、かつ前記ＳＯＡに順方向に電流を注入するステップと、
前記光導波路構造上にはない位置でかつ前記ＳＯＡからの自然放出光を受光できる位置において構成されフォトダイオードとして機能する光増幅率検知用素子（ＭＰＤ）によって前記自然放出光を受光するステップであって、前記ＭＰＤは前記外部から入射される光の波長帯より短波長のバンドギャップエネルギーを持つ半導体材料からなる、ステップと
前記ＭＰＤからの検知信号によって自然放出光強度を常時検知するステップと、
前記検知信号を用いて前記ＳＯＡへの注入電流を制御するステップと
を備えたことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体光増幅デバイスのうち、光増幅率安定化のための信号取り出し素子を同じ半導体素子内に持つ半導体光増幅デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体光増幅器は、半導体レーザ等と同一の素子構造を持つため、近年高機能化が図られている光半導体デバイスの光出力強度増幅用素子として用いる研究が進められている。このような半導体光増幅器は、注入電流によってその増幅率を高速に制御することが可能であるため、信号強度の増幅だけではなく、信号強度の均一化や信号生成、またスイッチングといった機能素子としても検討されている。
【０００３】
半導体光増幅器への注入電流の制御には、出力光強度を検知する必要がある(非特許文献１)。出力光強度の測定は、光ファイバカプラやハーフミラーといった光学部品を用いて、出力光信号の一部を分岐し、これをフォトダイオード等で電流信号に変換することで行っている。これらの場合、出力光強度を一部分岐する必要があるため、出力光強度そのものが多少減衰してしまう問題がある。また、このような従来の光信号強度検知方法は、システムの低コスト化という点では課題を残している。まず、部品点数については、本来の光信号制御素子とは別に検知素子を必要とする点や、出力光信号の一部を検知するために分岐する部分で、高精度で高価な光学部品が必要となる点等がある。また、これらの光信号強度検知部品を組み込むことによる作業コストも考慮する必要がある。
【０００４】
このようにして取り出された出力光信号強度の情報を、半導体光増幅器への注入電流制御に用いることで、光増幅器の増幅率、出力光強度等の制御が行われている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】大橋ほか”46.9-nm wavelength-selectable arrayed DFB lasers with integrated MMI coupler and SOA”, IPRM2001, pp.575-578.
【非特許文献２】馬渡ほか”Reliability of a Semiconductor Optical Amplifier under High-Carrier Injection Operation”, OAA2005, WA3
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光通信システムの普及、特にアクセス網への展開には、高信頼化と共に低コスト化が重要となる。このような低コスト化の方策の一つとして部品点数の削減が有効である。本発明では、従来行われている光信号分岐のための光カプラやハーフミラーといった部品を用いることなく、半導体光増幅器による増幅された出力光信号強度を検知する方法を、高信頼化と共に低コスト化のもとに実現するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
半導体光増幅器は、ｐｎ接合に順方向に電流を印加することによってキャリアを注入し、ここに半導体光増幅器外部から光信号を入力することによって、誘導放出を生じされて光信号強度を増幅する(非特許文献２)（図１）。従って増幅された光信号強度は注入されたキャリア密度に依存している。この特徴を用いることで、増幅された光出力強度を直接測定する代わりに、注入されたキャリア密度を測定することで、間接的に増幅率を制御することが可能である。
【０００８】
注入されたキャリアは、ｐｎ接合に反転分布状態を作り出し、これによって発光再結合が生じて、自然放出光が発生する。自然放出光のスペクトルは、半導体光増幅器の増幅部分の半導体の状態密度を反映するため、注入キャリア密度の増加と共にエネルギーの大きい方向、つまり波長の短い方向に、強度の増加と共にシフトしていく（図２）。この注入キャリア密度を反映する自然放出光スペクトルの強度を測定することによって、注入キャリア密度を相対的に評価することが可能である。
【０００９】
ここで、フォトダイオードとして機能するｐｎ接合構造を、外部から入力される光の波長に対して、短いバンドギャップ波長をもつ半導体材料によって形成することで、外部からの入力光の散乱等によって生じる放射光強度を検知せず、半導体光増幅器の自然放出光スペクトルの短波側からの放射光のみを検知することが可能になる（図３，４）。
【００１０】
従って、導波路構造上あるいはその延長線上に位置することなく、かつ入力光の波長よりも短い波長できまるバンドギャップエネルギーを持つフォトダイオード構造を形成すると、入力された光信号ではなく、半導体光増幅器から発生する自然放出光のみを観察することが可能となる。
【００１１】
このようなフォトダイオードを半導体光増幅器の導波路上あるいはその延長線上に位置しないように作製することで、光強度検知用の光カプラやハーフミラーといった光学部品やフォトダイオードモジュールあるいはチップを用いることなく、半導体光増幅器の増幅率を検知することが可能である。この方法によれば、光学部品やそのアセンブリに必要となるコストを削減することが可能であり、光モジュールとしての低コスト化を図ることが出来る。
【発明の効果】
【００１２】
本発明を用いることで、光出力信号の分岐等の部品および機構を用いることなく、半導体光増幅器の増幅率を常時制御するための信号を検出することが可能となるため、半導体光増幅器の高信頼化および低コスト化に有効となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】自然放出光スペクトルの例を示すグラフである。
【図２】光増幅時のスペクトルの図である。
【図３】半導体の光吸収特性と入力光波長との関係を示す模式図である。
【図４】光増幅時の自然放出光スペクトル検出の例を示すグラフである。
【図５】本発明に係る半導体光増幅デバイスの半導体光増幅器部分と自然放出光検出部分の模式図であり、図５（ａ）は上面模式図、（ｂ）は（ａ）のＶＢにおける断面模式図、（ｃ）は（ａ）のＶＣにおける断面模式図である。
【図６】本発明に係る半導体光増幅デバイスの半導体光増幅器部分と自然放出光検出部分の模式図であり、図６（ａ）は上面模式図、（ｂ）は（ａ）のＶＩＢにおける断面模式図、（ｃ）は（ａ）のＶＩＣにおける断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［実施例１］
以下に本発明の実施例１として、半導体光増幅器と、その光導波路上およびその延長線上に位置しないフォトダイオードとを、モノリシック集積した素子について、図５を用いて説明する。図５（ａ）は本実施例に係る半導体光増幅デバイスの上面模式図、（ｂ）は（ａ）のＶＢにおける断面模式図、（ｃ）は（ａ）のＶＣにおける断面模式図である。
【００１５】
半導体光増幅器１に入力された光信号２は、図中左側端面の無反射コーティング膜３によって、効率よく半導体光増幅器内部に伝達される。この後、光の進行に伴って、注入されたキャリアの誘導放出による再結合が進み、増幅された光信号は右側端面に向かって進行する。右側の半導体光出力端面も無反射コーティング４が施工されており、これによって１回の片道の光導波によって増幅された光信号５が出射される。
【００１６】
電流注入された半導体光増幅器では、キャリアの反転分布状態となっているため、発光再結合による自然放出光が発生している。この自然放出光は方向性を持たないため、あらゆる方向に放射されている。また、この放射光のスペクトルはキャリア密度のエネルギー分布を反映して、信号光に対して短波側へ大きく広がった形状となる。したがって、ここで信号光よりも短波側のバンドギャップエネルギーからなる半導体ｐｎ接合によって、放射光スペクトルの吸収を行うことで、信号光に依存することなく、放射光強度の測定が可能になる。
【００１７】
半導体光増幅器（ＳＯＡ）部分と、放射光強度モニタ（ＭＰＤ）６部分とは、図５（ｂ）、および（ｃ）の断面構造図に示したようにそれぞれ異なる組成からなる半導体ＰＮ接合構造によって形成する必要がある。半導体光増幅器（ＳＯＡ）１部分と、放射光強度モニタ（ＭＰＤ）部分６とは、ｎ側電極７、ｎ−ＩｎＰ基板８、ｎ―クラッド層９、ＳＯＡコア層１０、ＭＰＤ吸収層１１、ｐ―クラッド層１２、ｐ側電極１３から成る。この場合、ＳＯＡ部分のコア層１０とＭＰＤ部分の吸収層１１を、それぞれ別のエピタキシャル成長によって形成し、ＳＯＡの導波路構造およびＭＰＤの吸収層構造を加工後、全体を電流狭窄構造からなる埋め込み構造とする。
【００１８】
ここで（１）ＳＯＡ部分を先に形成し、導波路構造にエッチングによって加工した後、再び（２）ＭＰＤ部分を形成し、放射光吸収部分を加工する。最後に残った部分を（３）高抵抗埋め込み構造によって埋め込み構造を形成する。このように、計３回のエピタキシャル成長が必要となるが、ＳＯＡが増幅する光信号の波長に合わせたＳＯＡコア層と、放射光スペクトルの広がりに対応した吸収層とを、それぞれ独立に設計することが可能になる。
【００１９】
このようにして作製したｐｎ接合からの出力電気信号は、外部からの光信号とは無関係に半導体光増幅器内部の増幅率を反映することが可能であるため、半導体光増幅器の増幅率を常時制御することが可能となる。
【００２０】
また、出力光信号を分岐したりその一部を検出したりする部品および機構を持たないため、素子構造が簡易化され、高信頼化および低コスト化への効果が大きい。
【００２１】
［実施例２］
以下に本発明の実施例２として、半導体光増幅器と、その光導波路上およびその延長線上に位置しないフォトダイオードとを、モノリシック集積した素子について、図６を用いて説明する。
【００２２】
図６（ａ）は本実施例に係る半導体光増幅デバイスの上面模式図、（ｂ）は（ａ）のＶＢにおける断面模式図、（ｃ）は（ａ）のＶＣにおける断面模式図である。半導体光増幅器（ＳＯＡ）１部分と、放射光強度モニタ（ＭＰＤ）部分６とは、ｎ側電極７、ｎ−ＩｎＰ基板８、ｎ―クラッド層９、ＳＯＡコア層１０、ｐ―クラッド層１２、ｐ−ＭＰＤクラッド層１４、ＭＰＤ吸収層１１、ｎ−ＰＭＤクラッド層１５、ｐ−ＳＯＡ電極１６、ｎ−ＭＰＤ電極１７、ｐ−ＭＰＤ電極１８から成る。
【００２３】
半導体光増幅器に入力された光信号２は、図中左側端面の無反射コーティング膜３によって、効率よく半導体光増幅器内部に伝達される。この後、光の進行に伴って、注入されたキャリアの誘導放出による再結合が進み、増幅された光信号は右側端面に向かって進行する。右側の半導体光出力端面も無反射コーティング４が施工されており、これによって１回の片道の光導波によって増幅された光信号５が出射される。
【００２４】
電流注入された半導体光増幅器では、キャリアの反転分布状態となっているため、発光再結合による自然放出光が発生している。この自然放出光は方向性を持たないため、あらゆる方向に放射されている。また、この放射光のスペクトルはキャリア密度のエネルギー分布を反映して、信号光に対して短波側へ大きく広がった形状となる。したがって、ここで信号光よりも短波側のバンドギャップエネルギーからなる半導体ｐｎ接合によって、放射光スペクトルの吸収を行うことで、信号光に依存することなく、放射光強度の測定が可能になる。
【００２５】
半導体光増幅器（ＳＯＡ）部分と、放射光強度モニタ（ＭＰＤ）部分とは、図６に示したようにそれぞれ異なる組成からなる半導体ｐｎ接合構造によって形成する必要がある。この場合、ＳＯＡ部分のコア層の上部にＭＰＤ部分の吸収層を積層する形でエピタキシャル成長によって形成し、ＭＰＤ部分以外の領域の吸収層をエッチング処理で除去することで、ＳＯＡのコア層とＭＰＤの吸収層部分を１回のエピタキシャル成長で形成することが可能になる。その後、導波路構造およびＭＰＤの吸収層構造を加工後、全体を電流狭窄構造からなる埋め込み構造とする。
【００２６】
この場合、ＭＰＤ部分のｐｎ接合と、ＳＯＡ部分のｐｎ接合とは逆接続の（アノード側た対向した）ｐｎ接合ダイオードとなるので、ＭＰＤ部分のｎ側電極は表面のn型半導体層に、ｐ側電極はＳＯＡ部分のｐ側クラッド層と同電位となる層に形成することができる。したがって、ＳＯＡに順方向電流を注入する場合と同じ電位方向で、ＭＰＤ部分に逆バイアス電圧を印加することが可能となる。
【００２７】
このようにして作製したｐｎ接合からの出力電気信号は、外部からの光信号とは無関係に半導体光増幅器内部の増幅率を反映することが可能であるため、半導体光増幅器の増幅率を常時制御することが可能となる。
【００２８】
また、出力光信号を分岐したりその一部を検出したりする部品および機構を持たないため、素子構造が簡易化され、高信頼化および低コスト化への効果が大きい。
【符号の説明】
【００２９】
１  半導体光増幅器（ＳＯＡ）
２、５  光信号
３、４  無反射コーティング膜
６  放射光強度モニタ（ＭＰＤ）
７  ｎ側電極
８  ｎ−ＩｎＰ基板
９  ｎ―クラッド層
１０  ＳＯＡコア層
１１  ＭＰＤ吸収層
１２  ｐ―クラッド層
１３  ｐ側電極
１４  ｐ−ＭＰＤクラッド層
１５  ｎ−ＰＭＤクラッド層
１６  ｐ−ＳＯＡ電極
１７  ｎ−ＭＰＤ電極
１８  ｐ−ＭＰＤ電極
【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図１】
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【図２】
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【図４】
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