(57)【要約】【課題】利得飽和に伴う信号波形の劣化やチャンネル間クロストークを抑制することのできる、ＥＤＦＡと同等の高い飽和出力を得られる利得クランプ型半導体光増幅器を提供する。【解決手段】導波光を増幅する利得領域１を挟むように一対のＤＢＲ領域２、３が設けられ、利得領域１の導波路の一部がＭＭＩ導波路１１よりなる。【選択図】  図１
2004281656.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波光を増幅する利得領域を挟むように、一対の反射器が設けられた利得クランプ型半導体光増幅器であって、
前記利得領域の導波路の一部が多モード干渉型光導波路よりなることを特徴とする利得クランプ型半導体光増幅器。
【請求項２】
外部から信号光が入射する第１のポートと
前記利得領域で増幅された光を出射する第２のポートとをさらに有し、
前記多モード干渉型光導波路は、一方の導波路端面が第１の単一モード導波路を介して前記第１のポートに接続され、他方の導波路端面が第２の単一モード導波路を介して前記第２のポートに接続されており、
前記一対の反射器の一方が前記第１の単一モード導波路中に設けられ、他方が前記第２の単一モード導波路中に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の利得クランプ型半導体光増幅器。
【請求項３】
外部から信号光が入射する第１のポートと
前記利得領域で増幅された光を出射する第２のポートと、
前記一対の反射器にて生成されたクランプ光を出射する第３および第４のポートとをさらに有し、
前記多モード干渉型光導波路は、一方の導波路端面が第１の単一モード導波路を介して前記第１のポートに接続されるとともに第２の単一モード導波路を介して前記第３のポートに接続され、他方の導波路端面が第３の単一モード導波路を介して前記第２のポートに接続されるとともに第４の単一モード導波路を介して前記第４のポートに接続されており、
前記一対の反射器の一方が前記第２の単一モード導波路中に設けられ、他方が前記第４の単一モード導波路中に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の利得クランプ型半導体光増幅器。
【請求項４】
前記第２または第４の単一モード導波路の一部が、前記クランプ光の発振閾利得を調整するための利得調整導波路よりなることを特徴とする請求項３に記載の利得クランプ型半導体光増幅器。
【請求項５】
前記利得領域の導波路および前記利得調整導波路が、前記導波光に対して利得または減衰を生じさせる活性層導波路よりなることを特徴とする請求項４に記載の利得クランプ型半導体光増幅器。
【請求項６】
前記利得領域の導波路および前記利得調整導波路を除く導波路が、受動導波路よりなることを特徴とする請求項５に記載の利得クランプ型半導体光増幅器。
【請求項７】
前記第１から第４の単一モード導波路、前記多モード干渉型光導波路および前記利得調整導波路は、前記導波光に対して利得または減衰を生じさせる活性層導波路よりなることを特徴とする請求項４に記載の利得クランプ型半導体光増幅器。
【請求項８】
前記一対の反射器の少なくとも一方は波長選択性を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の利得クランプ型半導体光増幅器。
【請求項９】
前記波長選択性を有する反射器が分布ブラッグ反射器であることを特徴とする請求項８に記載の利得クランプ型半導体光増幅器。
【請求項１０】
前記一対の反射器は全反射ミラーよりなることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の利得クランプ型半導体光増幅器。
【請求項１１】
前記第３または第４のポートから出射されるクランプ光を検出する受光器を有することを特徴とする請求項３から７のいずれか１項に記載の利得クランプ型半導体光増幅器。
【請求項１２】
前記第２のポートから出射される光を検出する受光器を有することを特徴とする請求項２から７のいずれか１項に記載の利得クランプ型半導体光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体光増幅器に関し、特に利得クランプ型半導体光増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体光増幅器（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ：  ＳＯＡ）は、従来の光通信システムにおいて標準的に使用されているエルビウム添加光増幅器（Ｅｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ：  ＥＤＦＡ）に変わる小型で低コストな光増幅器として期待されている。
【０００３】
ＳＯＡの性能面における課題の一つに飽和出力の向上があげられる。一般にＳＯＡによる増幅光の最大光出力はＥＤＦＡのそれと比較して低く、このため現状ではＳＯＡは小型、低コスト化の観点で有利とされながらも、ＥＤＦＡの代替となるに至っていない。大容量波長多重光通信システムにおいて、ＳＯＡによってＥＤＦＡの代替を図るためには少なくとも２０ｄＢｍ（１００ｍＷ）以上の飽和出力が要求される。なお、飽和出力を向上する上で注意すべき点として、偏光依存性や駆動電流、素子サイズ等の、光アンプに要求される一般的な性能やＳＯＡの長所となる性能が著しく犠牲になってはいけない。
【０００４】
ＳＯＡの飽和出力を改善する一般的な手法は、光通信用デバイスに必須である単一横モードの伝搬特性を維持しつつ、活性層の構造を最適化することである。この手法による例として、Ｋ．  Ｍｏｒｉｔｏ等によるＳＯＡを従来例１として示す（非特許文献１参照）。
【０００５】
本従来例では活性層として、半導体レーザで良く使用される多重量子井戸（ＭＱＷ）と比較して偏光無依存化の容易な引っ張り歪みバルク活性層を使用し、且つ、活性層の厚さを５０ｎｍ程度と薄くすることによって活性層への光閉じこめ係数を０．１程度と小さくすることで活性層の内部損失の減少と導波路モード断面積（単位活性層面積あたりの光閉じこめ係数、これが小さいほど利得飽和しにくい）の低減を図ることで、ファイバ間利得が１９ｄＢ、ファイバ飽和出力（ファイバ間利得が非飽和時Ｇ０よりも３ｄＢ減少する場合のファイバ光出力強度で定義される）１７．４ｄＢｍの高い特性を実現している。尚、このときの駆動条件は、注入電流５００ｍＡ、注入電流密度が約３０ｋＡ／ｃｍ２である。
【０００６】
しかし、活性層の最適化を主とする手段によって２０ｄＢｍ以上の飽和出力を実現する事は、以下の理由により現状では極めて困難である。
【０００７】
１）偏光無依存化との両立の困難。
【０００８】
２）駆動電流密度が高くなる。
【０００９】
３）信号光に対する利得飽和特性の劣化。
【００１０】
上記３要因について以下に説明する。まず１）については、飽和出力の改善を図るためには、導波路モード断面積をさらに小さくする必要がある。しかし、従来例１よりもさらに導波路モード断面積を小さくして、２０ｄＢｍの飽和出力を得ようとすると、活性層厚を２０ｎｍ程度以下まで薄くする必要がある。活性層厚を薄くすると、偏光無依存化のために要求される結晶歪み量が増加し、結晶成長技術上の困難が発生する。また、薄い活性層に量子効果が現れ、偏光依存性の大きな多重量子としての特性が現れてしまうため偏光無依存な利得特性を得ることが困難になる。また、薄い活性層に量子効果が現れ、偏光無依存な利得特性を得ることが困難になる。
【００１１】
２）の要因に関しては、２０ｄＢｍ以上の飽和出力を得るためには従来例１で報告されている３０ｋＡ／ｃｍ２を超える注入電流密度が必要とされるが、このような高い電流密度を駆動条件とすることは発熱による利得特性の劣化やデバイスの信頼性の観点から現実的であるとはいえない。
【００１２】
３）の要因に関しては、変調信号を増幅する場合の動特性上の飽和出力性能はまだ十分とはいえない。
【００１３】
これはＳＯＡの最大光出力を見積もる指標である飽和出力の定義に起因する問題である。既に述べたように、従来、光アンプの飽和出力は「非飽和時利得からの利得減少量が３ｄＢとなるときの光出力」と一般的に定義されＰ３ｄＢと表される。従来の光通信システムにおいて標準的に使用されているＥＤＦＡでは、利得飽和領域での増幅時に信号波形劣化を生じず、利得の減少が生ずるだけであるが、ＳＯＡでは利得減少が３ｄＢとなる光出力強度域で駆動すると、信号波形の劣化が発生する。この信号波形の劣化は、活性層内のキャリア緩和時間と信号光のビットレートが同程度の時間オーダであるために、利得飽和の緩和過程の影響を受け易い、というＳＯＡの本質的な性質によるものである。この波形劣化は従来例１として引用した非特許文献１でも報告されている。
【００１４】
非特許文献１によると、変調信号入射時の信号透過波形の実験結果として、光出力が１２ｄＢｍ及び１４ｄＢｍの場合における、ビットレートが１０Ｇｂ／ｓの信号に対する増幅信号波形がそれぞれ示されている。光出力が＋１４ｄＢｍとなる駆動時においては、信号波形の劣化が確認されており、また、光出力が＋１２ｄＢｍとなる駆動時においても、わずかながら信号波形の劣化が見られることが報告されている。以上述べたＳＯＡに特有の波形劣化を考慮し、ここでは信号劣化を生じない飽和出力として、「非飽和時利得からの利得減少量が１ｄＢとなるときの光出力」を新たに定義し、Ｐ１ｄＢとする。従来例１におけるＰ１ｄＢは、たかだか１０ｄＢｍ程度にすぎず、より一層の飽和出力改善が必要なことがわかる。
【００１５】
以上述べたように、単一横モードを維持しながら活性層を最適化する手法では活性層２０ｄＢｍを越える最大光出力を実現することは極めて困難であることがわかる。
【００１６】
上記３つの制約のうち、１）と２）を解決可能な手法として、テーパ導波路や干渉導波路などを用いて単一横モードの光出力を維持しつつ実効的な活性層幅を広くすることで、単位活性層面積あたりの入力光強度を低くする手法が提案されている。以下に、この手法による従来例を紹介する。
【００１７】
最初に、Ｂ．  Ｄａｇｅｎｓ等によって開示された「ｍｕｌｔｉ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  （ＭＷＧ）−ＳＯＡ」（非特許文献２参照）を従来例２として示す。本従来例によるＭＷＧ−ＳＯＡの構成および動作原理を図１２及び図１３を用いて説明する。図１２に模式的に示されるように、ＭＷＧ−ＳＯＡはＮ本のアレイ状の活性層２００とその両端に配置された受動導波路２０１からなり、この受動導波路２０１はそれぞれ１ｘＮ分岐の光合・分波器２０２を含む。入力光（強度をＰｉｎとする）は活性層２００の前段の光合・分波器２０２でＮ本に分岐され、それぞれ活性層２００に入射される。このとき活性層２００への入力光強度はＰｉｎ／Ｎとなる。各アレイの活性層２００にて増幅を受けた光は、活性層２００の後段に配された光合・分波器２０２によって再び合波され、出力光として出射される。ここで、Ｎ本に分岐された光の光路長がすべて等しくなるように設計されており、Ｎ本の伝搬光は後段の合・分波器２０２において同位相にて合波されるため分岐損失は発生しない。
【００１８】
図１３はこのデバイスの利得飽和特性を説明する図である。グラフの横軸はＳＯＡからの出力光強度、縦軸は素子利得を示しており、アレイ本数Ｎが１、２、４の場合の利得飽和特性がプロットされている。ここでＮ＝１の場合は、従来の単一横モードのＳＯＡの特性に相当する。前述のように、ＳＯＡの利得特性は、入力光強度が小さい場合は非飽和利得Ｇ０で一定であるが、入力光強度が強くなると利得が低下し、光出力強度は飽和する。なお、この報告における飽和出力としては、前段にて新たに定義したＰ１ｄＢではなく、従来と同様のＰ３ｄＢを用いている。Ｎ＝１の場合の飽和出力は図１３においてａで示されている。ここでＮ＝２の場合、活性層一本あたりの入力光強度が半分となるため、デバイス全体での飽和出力は図１３中ぼｂとなりＮ＝１のときよりも２倍（＝３ｄＢ）改善される。同様にＮ＝４の場合、活性層一本あたりの入力光強度が１／４となるため、デバイス全体での飽和出力は図１３中のｃとなり、Ｎ＝１のときよりも４倍（＝６ｄＢ）改善される。なお、非特許文献２によれば、単一モードのＳＯＡにおいて５ｄＢの飽和出力改善を得られたことが報告されている。また、Ｎアレイの場合の駆動電流はＮ＝１のときのＮ倍となるが、注入電流密度はＮ＝１のときと変わらない。従って、前述の飽和出力改善のための課題１）の注入電流密度の増加は起きないことが分かる。また、この手法によれば、活性層のモード断面積を小さくする必要がなくなるため活性層の厚さは従来例１と同程度の５０ｎｍ程度にすることができる。従って、前述の課題２）も解決されていることが分かる。
【００１９】
導波路幅を拡大し、飽和出力の向上を図った他の報告例として、Ｋ．Ｈａｍａｍｏｔｏ  等によって開示される「ａｃｔｉｖｅ−ＭＭＩ  （Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ−ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）−ＳＯＡ」（非特許文献３参照）を従来例３として示す。この素子の平面構造の模式図を図１４に示す。
【００２０】
図１４を参照すると、ＭＭＩ−ＳＯＡは、入力光が入射する素子端面１０３側に設けられた単一モード導波路１０１と、出力光が出射する素子端面１０４側に設けられた単一モード導波路１０２と、これら導波路１０１、１０２間に配置された多モード干渉（ＭＭＩ）導波路１００とを有する。単一モード導波路１０１、１０２の導波路幅はいずれもＷ１で、ＭＭＩ導波路１００の導波路幅はＷ２（＞Ｗ１）である。ここで、ＭＭＩ導波路１００の幅や長さなどはＭＭＩ導波路の伝搬原理に基づき１ｘ１の合・分波器として機能するように設計されている。このとき、入力側の単一モード導波路から入射され、ＭＭＩ導波路１００を伝搬した光は分岐損なしに横単一モード光として再び取り出すことが可能である。
【００２１】
ＭＭＩ導波路１００では、従来例２のＭＷＧ―ＳＯＡと同様、活性層が広いため入力光密度を低減することでき、飽和出力の高いＳＯＡを実現することができる。非特許文献３によれば、単一横モード出力が可能なＳＯＡにおいて５ｄＢの飽和出力改善が得られたことが報告されている。
【００２２】
前述の飽和出力改善上の課題３）を解決可能な手法として有望なのが利得クランプ型ＳＯＡである。利得クランプ型ＳＯＡは、ＳＯＡ内にレーザ共振器構造を具備し、レーザ発振させた状態の活性層に信号光を入射して増幅を行うタイプのＳＯＡであって、ＳＯＡ利得飽和に起因する信号波形劣化や、波長多重信号の増幅時におけるチャネル間クロストークを改善し、入力光強度に依存しない線形な利得特性を実現できる技術として開発されている。利得クランプ型ＳＯＡの動作について以下に説明する。
【００２３】
図１５は従来のＳＯＡと利得クランプ型ＳＯＡの利得飽和特性を説明するための図である。ここで両者の活性層品質と駆動電流は同一であるとする。従来例１および従来例２の項ですでに述べたように、ＳＯＡの駆動条件が一定の下では、出力光強度が高くなるとＳＯＡの利得は飽和し、非飽和時の利得Ｇ０よりも低下する。
【００２４】
従来のＳＯＡの利得飽和曲線は、図中の破線で示される。ここでＳＯＡの飽和出力Ｐ１ｄＢは図１５中のａとなる。一方、利得クランプＳＯＡの利得飽和曲線は、図中の実線で示される。利得クランプ型ＳＯＡは、前述のように内部にレーザ共振器構造を具備し、レーザ発振状態にて駆動される。レーザ発振状態では、ＳＯＡの活性層のキャリア密度はレーザの発振閾キャリア密度にクランプされる。このとき利得クランプ型ＳＯＡの利得は出力光強度に依存せずＧＧＣで一定となる。なお、ＧＧＣは利得クランプ型ＳＯＡ内に具備されたレーザ共振器の反射率を変えることで任意に設定可能である。利得クランプ型ＳＯＡにおいても出力光強度が高くなると利得飽和が発生する。利得飽和領域では、入力光の増幅に消費されるキャリアが増大するため、もはや、レーザは発振状態を維持できず利得クランプ動作が停止する。このときの光出力強度（図中ｂ）が利得クランプ型ＳＯＡにおける飽和出力値Ｇｓａｔである。な、利得クランプ型ＳＯＡの利得ＧＧＣは同一品質、同一駆動条件での従来ＳＯＡにおける非飽和利得Ｇ０と比較して低くなるが、あらかじめこの利得低下を見込んだ活性層の設計を行うことで所望の利得を得ることが可能である。
【００２５】
以上述べたように、同一品質の活性層における飽和出力は利得クランプ型ＳＯＡの方が従来ＳＯＡと比較しｂ−ａ（ｄＢｍ）だけ高く、従来例１で述べた飽和出力向上における課題３）の制限要因が改善されることが分かる。
【００２６】
利得クランプ型ＳＯＡの報告例として、Ｍ．  Ｂａｃｈｍａｎｎ等によって開示された「ｇａｉｎ−ｃｌａｍｐｅｄ（ＧＣ）−ＳＯＡ」（非特許文献４参照）がある（従来例４）。図１６に、そのＧＣ−ＳＯＡの素子構造を模式的に示す。本従来例は単一ストライプの活性層の同一光路内にクランプ光を発振するための共振器が配置された導波路構造を有する。
【００２７】
図１６を参照すると、ＧＣ−ＳＯＡは、ＳＯＡの活性層１１０の両端に分布型ブラッグ反射器（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ  ：  ＤＢＲ）１１１、１１２を備える導波路構造を有する。活性層１１０への電流注入によってＳＯＡ駆動がなされると、ＤＢＲ１１１、１１２の間において、その反射ピークに応じた特定の波長（例えば１．５μｍ）でレーザ発振が起き、そのレーザ発振光（以下、クランプ光と呼ぶ。）が導波路構造の入・出射端から出力される。このとき、活性層１１０はクランプ光の発振閾利得にクランプされるため、入力光に対しては、その入力強度によらず常に一定の利得を与えることができる。なお、この構造では信号光とクランプ光の光路が同一であるため出射側にクランプ光を除去するためのフィルタが必要となる。
【００２８】
利得クランプ型ＳＯＡの他の報告例として、特許文献１に記載されたようなＳＯＡがある（従来例５）。図１７に本従来例の素子構造を模式的に示す。本従来例ではマッハツェンダ干渉型の導波路構造を利用して、信号光とクランプ光が同一の活性層を通過する構造でありながら、入・出射端で空間的に分離可能なように配置されている。なお、本従来例の活性層は従来例２で示したアレイ活性層型のＳＯＡにおける、アレイ数Ｎが２の場合の構造に相当する。
【００２９】
図１７を参照すると、ＳＯＡは、一方の端部に２つのポートＡ、Ｂを備え、他方の端部に２つのポートＣ、Ｄを備える。ポートＡは、入力ポートであって、集束光ファイバ１２１によって導かれた入力光が入射するようになっている。ポートＤは出力ポートであって、そこから出射される出力光が光集束光ファイバ１２２によって外部に導かれるようになっている。ポートＢには反射器１２３が設けられており、ポートＣには反射器１２４および可変光減衰器１２５が設けられている。ポートＡ、Ｂはそれぞれ光パワー等分配器である光合・分波器１２６の２つの入力導波路に繋がっている。光合・分波器１２６の２つの出力導波路は、それぞれ光合・分波器１２７の２つの入力導波路に繋がっており、これら両導波路がマッハツェンダ型干渉器の干渉アーム部分を構成している。光合・分波器１２７の２つの出力導波路は、それぞれポートＣ、Ｄに繋がっている。マッハツェンダ型干渉器の両干渉アームには、それぞれＳＯＡ部１２０ａ、１２０ｂが形成されている。
【００３０】
上記のＳＯＡでは、ポートＡから入射した入力光は、光合・分波器１２６にて等分配される。そして、この光合・分波器１２６で等分配された光がそれぞれ干渉アームのＳＯＡ部１２０ａ、１２０ｂにて増幅を受けた後、光合・分波器１２７にて干渉−合波されることで、ポートＤより増幅光が出力される。また、ＳＯＡ駆動時には、ポートＢ、Ｃを繋ぐ経路において反射器１２３、１２４の間でレーザ発振が起き、クランプ光がそれぞれの反射器１２３、１２４から出力される。この場合も、利得のクランプは図１３に示したものと同じようにして行われるが、信号光の経路（ポートＡ、Ｄを繋ぐ経路）とクランプ光の経路（ポートＢ、Ｃを繋ぐ経路）は空間的に分離されているため、クランプ光を除去するためのフィルタは不要である。よって、モジュールコストの低減が期待できる。
【００３１】
また、図１７に示した構造によれば、クランプ光の経路内の一部に設けられた可変光減衰器１２５（もしくは可変光増幅器）によって、反射器１２４の実効的な反射率を調節することもできる。さらに、クランプ光と信号光が同一の波長であってもよいというメリットもある。
【００３２】
利得クランプ型ＳＯＡのさらに別の報告例として、Ｄ．  Ａ．  Ｆｒａｎｃｉｓ等によって開示された「ｌｉｎｉｅｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  （ＬＯＡ）  」（非特許文献５参照）がある。図１８に、そのＬＯＡの素子構造を模式的に示す。信号光が伝搬する導波路を上下方向に挟むように共振器を配置する方法である。
【００３３】
図１８を参照すると、ＩｎＰ基板１３０の基板面内に導波構造の活性層１３１が形成されており、その活性層１３１を覆うようにＩｎＰクラッド１３２が設けられている。さらに、活性層１３１およびＩｎＰクラッド１３２が形成されたＩｎＰ基板１３０を上下方向から挟むように、一対のＤＢＲ１３３、１３４が設けられており、基板面に垂直な方向にレーザ発振する垂直共振器面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ  ：ＶＣＳＥＬ）構造になっている。
【００３４】
上記のＬＯＡでは、信号光はＩｎＰ基板１３０の基板面内に形成された導波構造の活性層１３１を導波する。また、活性層１３１の上下に配置されたＤＢＲ１３３、１３４によってＩｎＰ基板１３０の基板面に垂直な方向においてレーザ発振が生じ、クランプ光がＩｎＰ基板１３０の上下方向に出力される。この構造の場合は、単一ストライプ構造でありながら、信号光とクランプ光の光路が分離されているという特徴を有する。このため、図１８に示したＳＯＡと同様、クランプ光を除去するためのフィルタは不要となる。
【００３５】
【特許文献１】
特開平２０００−７７７７１号公報
【非特許文献１】
Ｅｕｒｏｐｅａｎ  ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｆ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  ’２０００  （ＥＣＯＣ’２０００）  国際会議、ｐａｐｅｒ  １．３．２
【非特許文献２】
ＩＥＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ誌、ｖｏｌ．  ３５，  Ｎｏ．  ６，  ｐｐ．  ４８５−４８７，１９９９
【非特許文献３】
ＩＥＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ誌、ｖｏｌ．  ３６，  Ｎｏ．  １４，  ｐｐ．  １２１８−１２２０，２０００
【非特許文献４】
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．  ３２，  Ｎｏ．  ２２，  ｐｐ．  ２０７６−２０７７，  １９９６
【非特許文献５】
Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  ２００１（ＯＦＣ２００１），  ｐｏｓｔ  ｄｅａｄｌｉｎｅ  ｐａｐｅｒ  ＰＤ１３
【００３６】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、活性層の最適化を主とする手段によって２０ｄＢｍ以上の飽和出力をＳＯＡで実現する事は、１）偏光無依存化との両立の困難、２）駆動電流密度の増加、３）信号光に対する利得飽和特性の劣化、の観点から困難である。
【００３７】
また、上記の課題を改善できる手法として、ａ）干渉導波路を利用して実効的な導波路幅を拡大することにより上記１）、２）の課題を改善する方法、及びｂ）利得クランプ型ＳＯＡにより上記３）の課題を改善する手法、を従来技術として示したが、要求される駆動電流を考慮した上で２０ｄＢｍを越える飽和出力の達成を図るとき、上記改善手法のａ）及びｂ）の改善策は尚課題を有している。この理由を以下に説明する。
【００３８】
まず、ａ）単一横モード出力を維持しつつ実効的な導波路幅を拡大することにより１）、２）の課題を改善する方法の課題について説明する。従来例の項にて述べたように、本手法を用いて、従来の単一横モード伝搬の活性層の活性層幅Ｗに対して実効的な導波路幅をＮ倍にすることができれば、飽和出力はＮ倍に改善される。また、このとき注入電流密度は１倍のままである。しかし、この特性を実現するためには従来ＳＯＡと比較してＮ倍の駆動電流が必要とされる。導波路幅がＮ×ＷのＳＯＡにおいて、飽和出力Ｐ１ｄＢが２０ｄＢｍとなるときの駆動電流を簡単に見積もると、２Ａ程度になることが分かった。この駆動電流はＥＤＦＡの励起用のＬＤの駆動電流と比較しても高く、従って本改善手法では駆動電流上の問題のため、ＥＤＦＡの代替を図ることが可能なＳＯＡの実現手段としては不十分であることが分かる。
【００３９】
次に、ｂ）利得クランプ型ＳＯＡにより上記３）の課題を改善する手法の課題を説明する。従来技術の項にて述べたように、同一品質の活性層であっても利得クランプ型ＳＯＡでは従来のＳＯＡよりも高い飽和出力が得られる。従って、目標とする飽和出力値が同一であれば、利得クランプＳＯＡでは、従来ＳＯＡよりも駆動電流を低減することができる。しかし、利得クランプ型とすることによって、利得飽和曲線自体が改善されるわけではないため、飽和出力の改善幅はあくまで利得クランプを導入しない活性層における利得飽和曲線の範囲内に留まる。
【００４０】
本発明の目的は、従来のＳＯＡでは達成困難であった２０ｄＢｍを超える高い飽和出力を有し、ＥＤＦＡの代替が可能な実用的な性能を有するＳＯＡを提供することにある。
【００４１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の利得クランプ型半導体光増幅器は、導波光を増幅する利得領域を挟むように一対の反射器が設けられ、前記利得領域の導波路の一部が多モード干渉型光導波路よりなることを特徴とする。この構成によれば、一対の反射器にてレーザ発振が生じることで、利得領域における利得はその発振閾利得にクランプされる。これにより、利得飽和に起因する信号波形の劣化や、波長多重信号光を増幅する際のチャネル間クロストークが抑制される。また、利得領域の一部を多モード干渉型光導波路より構成したことで、利得領域（活性層）の面積を広くすることができ、その分だけ利得領域（活性層）への入力光密度を低減することができる。これにより、飽和出力を高めることができる。
【００４２】
上記の利得クランプ型半導体光増幅器において、外部から信号光が入射する第１のポートと前記利得領域で増幅された光を出射する第２のポートとをさらに有し、前記多モード干渉型光導波路は、一方の導波路端面が第１の単一モード導波路を介して前記第１のポートに接続され、他方の導波路端面が第２の単一モード導波路を介して前記第２のポートに接続されており、前記一対の反射器の一方が前記第１の単一モード導波路中に設けられ、他方が前記第２の単一モード導波路中に設けられていてもよい。
【００４３】
また、外部から信号光が入射する第１のポートと前記利得領域で増幅された光を出射する第２のポートと、前記一対の反射器にて生成されたクランプ光を出射する第３および第４のポートとをさらに有し、前記多モード干渉型光導波路は、一方の導波路端面が第１の単一モード導波路を介して前記第１のポートに接続されるとともに第２の単一モード導波路を介して前記第３のポートに接続され、他方の導波路端面が第３の単一モード導波路を介して前記第２のポートに接続されるとともに第４の単一モード導波路を介して前記第４のポートに接続されており、前記一対の反射器の一方が前記第２の単一モード導波路中に設けられ、他方が前記第４の単一モード導波路中に設けられていてもよい。この構成によれば、クランプ光の伝搬経路と信号光の伝搬経路は空間的に分離されているので、信号光からクランプ光を分離するためのフィルタを別途設ける必要がなく、また、信号光とクランプ光に同一波長のものを用いることが可能である。
【００４４】
上記の利得クランプ型半導体光増幅器において、前記第２または第４の単一モード導波路の一部が、前記クランプ光の発振閾利得を調整するための利得調整導波路より構成されてもよい。この構成によれば、発振閾利得を調整することで、信号光の利得調整が可能となる。
【００４５】
また、前記第３または第４のポートから出射されるクランプ光を検出する受光器を有していてもよい。この構成によれば、中継増幅器に適用した場合に、上述したような利得クランプ型半導体光増幅器の作用に加えて、受光器の出力が一定となるように利得調整導波路への電流注入または電圧印加の量を制御することにより定出力動作が可能となる。また、光通信システムの受信装置に適用した場合に、増幅されたクランプ光を信号光の代わりに検出することになるので、信号変換の誤り率の低減が可能となる。
【００４６】
さらに、前記第２のポートから出射される光を検出する受光器を有していてもよい。この構成の場合も、上述したような利得クランプ型半導体光増幅器の作用に加えて、信号変換の誤り率の低減が可能となる。
【００４７】
【発明の実施の形態】
はじめに、光アンプに要求される一般的な性能やＳＯＡの長所となる性能（偏光依存性や駆動電流、素子サイズ等）を著しく悪化することなく、ＥＤＦＡの代替を図る目安である２０ｄＢｍを超える高い飽和出力を有するＳＯＡが本発明によって実現できる理由について述べる。
【００４８】
従来例の項にて述べたように、従来の単一横モード伝搬の導波路構造をもとにし、活性層のモード断面積などを最適化しただけのＳＯＡでは、２０ｄＢｍを超える高い飽和出力の実現が困難である。また、発明が解決すべき課題の項で述べたように、飽和出力の向上に有効であると思われる従来の手法である、ａ）単一横モード出力を維持しつつ実効的な導波路幅を拡大したＳＯＡ、及びｂ）利得クランプ型ＳＯＡによっても上記目標を達成することは困難である。そこで本発明では利得飽和曲線を改善可能な上記ａ）と所望の飽和光出力を得るための駆動電流の効率化を図るｂ）の手法を組み合せることを提案する。ただし、ａ）およびｂ）の双方について、従来例をはじめいくつかの手法が提案されているため、本発明に到る過程として、最適な構造について以下のような検討を行った。
【００４９】
まずａ）単一横モード出力を維持しつつ実効的な導波路幅を拡大したＳＯＡにおける最適な手法について検討した。その検討結果を表１に示す。
【００５０】
【表１】
2004281656.tif 000003
表１は、本発明に適用可能な素子構造としてＡからＦの６タイプについて提案し、それぞれのタイプについて素子サイズと生産性（歩留まりや工程数）の観点から本発明への適応性を評価したものである。なお、各タイプの差異に関する主な観点は、１）導波路幅を広げるための手段、及び、２）光合波器部分の機能（利得導波路か受動導波路か）である。以下に、各タイプについての特徴を述べる。
【００５１】
Ａタイプは、導波路を広げる手段としてアレイ導波路からなる活性層を用い、１ｘＮ合・分波器は受動導波路により構成される「アレイ導波路活性層＋受動光合分波器」構造を有するタイプである。これは従来例１で示した構造を有するタイプである。本タイプでは、飽和出力向上のために実効的な導波路幅の拡大を図る際にアレイ導波路数Ｎを増やす必要がある。しかし、Ｎが増加した場合、アレイ活性層の両端の光合・分波器のサイズも大きくなるため、本タイプは素子サイズの低減の観点から問題があることが分かる。また、別々の工程で形成した受動導波路と活性層を集積する必要があるため、工程数も多くなる。また、Ｎが大きい場合に、各アレイの信号光位相を揃えることが困難になり、素子利得の劣化が懸念され、素子歩留まりの低下が懸念される。
【００５２】
Ｂタイプは、導波路を広げる手段としてアレイ導波路からなる活性層を用い、１ｘＮ合・分波器も活性層として機能する「全活性層アレイ導波路」構造を有するタイプである。本タイプでは、タイプＡと同様、飽和出力向上のために実効的な導波路幅の拡大を図る際にアレイ導波路数Ｎを増加する必要があるが、Ａタイプと異なり、光合・分波器が活性層の役割を兼ねているため、素子サイズはタイプＡよりも格段に小さくなる。しかし、Ｎが大きい場合に、各アレイ間の信号光位相を揃えることが困難になり、素子利得の劣化が懸念される点ではタイプＡと同様であり、素子歩留まりの低下が懸念される。
【００５３】
Ｃタイプは、導波路を広げる手段としてＭＭＩからなる活性層を用い、１ｘＮ合・分波器が受動導波路により構成される「ＭＭＩ活性層＋受動光合分波器」構造を有するタイプである。このタイプの素子の従来例として「ＷＯ９６／１３０８４」（以降、特許文献２と記す。）が報告されている。この特許文献２によると、利得クランプ型ＳＯＡの活性層にＭＭＩを使用し、２ｘ２分岐のＭＭＩの一方の光路を利得クランプ光の伝搬経路とし、他方を信号伝搬経路としている。ＭＭＩ活性層の両端には利得クランプ光と信号光を合波する受動導波路よりなる合・分波器が具備されている。本構造では、信号光とクランプ光が同一の伝搬経路を有する領域にのみ活性層を使用し、信号光とクランプ光の伝搬経路が空間的に完全には一致しない光合波器部分は受動光導波路とすることで、信号光とクランプ光の相互利得変調を促進している。なお、本特許文献２では利得クランプ光と信号光との相互利得変調の促進のための他の方策としてＭＭＩ活性層の幅を狭くすることが提案されているが、この構造は飽和出力向上の観点では不利である。飽和出力向上のためには導波路幅を広くし、活性層の光子密度を低下させる必要があるが、活性層にＭＭＩを用いる本タイプでは、同一の活性層幅を得るための素子長をＡ，Ｂタイプよりも小さくすることができる。また、単一横モード導波路のアレイからなるＡ，Ｂタイプと比較して活性層形成時におけるリソグラフィの誤差に対する許容度が高く、歩留まり上も優れている。一方、本タイプでは合・分波器が受動導波路であるため、通常のＳＯＡと比較した場合の素子サイズは大きい。また、別々の工程で形成した受動導波路と活性層を集積する必要があるため、工程数も多くなる。
【００５４】
Ｄタイプは、導波路を広げる手段としてＭＭＩからなる活性層を用い、１ｘＮ合・分波器も活性層として機能する「全活性層ＭＭＩ」構造を有するタイプである。本タイプは、Ｃタイプと同様、導波路幅を広くする際に素子長をＡ，Ｂタイプよりも小さくすることができる。また、ＭＭＩの活性層は単一横モード導波路のアレイからなるＡ，Ｂタイプと比較して活性層形成時におけるリソグラフィの誤差に対する許容度が高く、歩留まり上も優れている点もＣタイプと同様である。さらに、本タイプでは、合・分波器活性層の役割をも兼ねているため、Ｃタイプよりも素子サイズを小さくすることができる。なお、Ｃタイプと比較して、信号光とクランプ光との相互利得変調の促進が不十分であることが懸念されるが、実際に使用される１０μｍ以下の導波路幅の活性層では、キャリア拡散を通じて信号光とクランプ光の相互作用が行われるため、信号光の劣化は少ないと考えられる。
【００５５】
Ｅタイプは、導波路を広げる手段として方向性結合器を用い、結合導波路のすべてが活性層により構成される「全活性層方向結合器」構造を有するタイプである。本タイプは、方向性結合器からなる活性層の長さが完全結合長となるように設計されている。なお、完全結合長とは、結合導波路における導波路の一方に入射された信号光のフィールドが、他方の導波路に完全に移行するのに要する伝搬距離である。本構造では、結合導波路により実効的な導波路幅を広くすることが可能であるが、一般に方向性結合器は２本の結合導波路からなり、従って実効的な導波路幅は２倍までに制限されるため、飽和出力改善の余地は制限される。また、タイプＡ、Ｂと同様に単一横モード導波路を基本とした構造であるため、活性層のリソグラフィの誤差に対する影響を受けやすく、歩留まり低下が懸念される。
【００５６】
Ｆタイプは、導波路を広げる手段としてテーパ導波路を用い、導波路のすべてが活性層により構成される「全活性層テーパ導波路」構造を有するタイプである。本タイプは、信号光の横高次モードが励起されないように、信号伝搬方向に十分に緩やかな角度を有するテーパ導波路をつなぎ合わせた活性層形状を有する。このようにテーパ導波路を用いて活性層幅を拡大する構造は従来、主として高出力ＬＤ用途として開発されてきた。本タイプの活性層はＣ、ＤタイプのＭＭＩ活性層と同様、活性層が一本の幅広導波路により形成されているため、活性層形成時におけるリソグラフィの誤差に対する許容度が高く、歩留まり上も優れている。一方で、導波損失を増加させることなく導波路幅を拡大するためには導波路幅のテーパ角度を大きくすることは困難であり、所望の導波路幅を得るための活性層長さが長くなり、素子サイズが大きくなることが問題である。
【００５７】
以上の考察に基づき、ＡからＦの６タイプの活性層について表１のような評価結果が得られた。この表では、「５」を最高評価としている。この結果より、導波路幅を拡大し、飽和出力の向上を図ることが可能な活性層としてＤタイプの「全活性層ＭＭＩ」が最も適していることが分かる。
【００５８】
次に、利得クランプ構造に関して検討を行った。利得クランプ構造の構造として考え得るのは、信号光とクランプ光が同一基板平面上を伝搬する構造（従来例４、５））と信号光とクランプ光が互いに直交した伝搬経路を持つ構造（従来例６）である。ここでは、これら３つの利得クランプ構造において、高飽和出力、低消費電力、小型化、そして、既に検討した導波路幅を広げる活性層構造との整合性の観点から優れた構造を検討した。
【００５９】
第１の方法による利得クランプ型ＳＯＡ（図１３参照）には、１Ａ）信号光とクランプ光の伝搬経路が同一基板平面上にあり、且つ、基板平面内においても完全に同一である構造と、１Ｂ）信号光とクランプ光の伝搬経路が、同一基板平面上にあるが、基板平面内において異なる構造が考えられる。
【００６０】
１Ａの構造は、ＳＯＡの素子構造がシンプルであり、活性層をＭＭＩとしても素子特性上問題がないため、本発明への適用に適しているといえる。尚、本構造ではＤＢＲ１１１、１１２の反射率が固定であるため素子利得が固定される。また、信号光とクランプ光の伝搬経路が完全に同一なため、出力側にクランプ光の除去のための光フィルタが必要である。
【００６１】
１Ｂの構造は、従来例４に示されるように、マッハツェンダ干渉計などを用いることにより信号光とクランプ光の伝搬経路を空間的に分離した構造である。この構造を実現するには２入力２出力の干渉型導波路構造が必要である。すでに述べたＡ〜Ｆタイプの導波路幅を拡大可能な構造のうち、Ａ〜Ｅタイプで２入力２出力の活性層構造が実現可能であり、特にＤタイプの全活性層のＭＭＩを用いた場合、小型でシンプルな２入力２出力構造を実現できる。なお、本構造ではクランプ光の伝搬経路中に導波路利得や損失を制御可能な活性層や光吸収層を設けることによって信号光の利得を可変とすることが可能である。これは、クランプ光の伝搬経路の両端に具備された反射器の反射率を、活性層や光吸収層によって実効的に可変にできるために、クランプ光の発振時における活性層のキャリア密度を可変とすることが可能であるためである。また、信号光とクランプ光の伝搬経路が異なるために、出力側にクランプ光の除去のための光フィルタが不要となる利点もある。本利得クランプ構造も本発明への適用に適しているといえる。
【００６２】
以上述べたように、第１の方法による利得クランプＳＯＡは本発明の目的に適した構造である。
【００６３】
第２の方法による利得クランプ構造は、従来例４に示される、信号光とクランプ光とが互いに直交した伝搬経路を持つ構造である。本手法では、導波路の上下にクランプ光の発振のための反射器が具備されるため、導波路の平面形状によらずＡ〜Ｅタイプの活性層構造のいずれにも適用可能である。しかし、本手法においては基板垂直方向へのレーザ発振の必要から基板垂直方向に対しての高い利得が要求される。これを実現するには、活性層を厚くしたり、多重量子井戸（ＭＱＷ）の活性層を導入したりする必要がある。しかし、基板垂直方向への利得を大きくすることは、基板面内を伝搬する信号光に対する導波路モード利得を大きくすることでもあり、これは信号光に対する飽和出力向上を図る目的とは全く逆の設計指針となる。従って、本利得クランプ構造は飽和出力の向上には適さないことがわかる。また、活性層の上下に反射器を具備することも信号光の偏光無依存化などの利得設計上の制約となる。さらに、本構造では発振閾利得のチューニングが困難であるため、利得が固定であるというデメリットがある。以上のデメリットにより本手法による利得クランプ構造の本発明への適用は困難である。
【００６４】
以上の検討結果により、本発明の目的とする、高い飽和出力を有し小型、低消費電力化が可能なＳＯＡとして、「全活性層ＭＭＩ」からなる導波路構造を有し、「信号光とクランプ光が同一基板平面上を伝搬する構造」の利得クランプ構造を有するＳＯＡが最も優れることが明らかになった。
【００６５】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００６６】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態である利得クランプ型ＳＯＡの構造を説明するための図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示す構造のＣ−Ｃ’における断面図、（ｃ）は（ａ）に示す構造のＡ−Ａ’における断面図、（ｄ）は（ａ）に示す構造のＢ−Ｂ’における断面図である。
【００６７】
まず、図１（ａ）を用いて、本実施形態の利得クランプ型ＳＯＡの導波路部の構造を説明する。本実施形態の利得クランプ型ＳＯＡは、図１（ａ）に示すように、入力光が入射する素子端面８から、出力光が出射する素子端面９まで繋がった導波路を有する。この導波路は、素子端面８側から順に窓領域６、ＳＳＣ（スポットサイズコンバータ）領域４、ＤＢＲ領域２、利得領域１、ＤＢＲ領域３、ＳＳＣ領域５、窓領域７を配した構造になっており、利得領域１を中心に素子端面８側と素子端面９側が対称な構造になっている。ＤＢＲ領域２、３およびＳＳＣ領域４、５の部分はいずれも単一横モード導波路である。
【００６８】
利得領域１は、ＭＭＩ導波路１１と、その両端に設けられた単一モード導波路１２、１３からなる。ＭＭＩ導波路１１は、単一モード導波路１２から入射した光が多モード領域を伝搬した後に干渉効果によって単一モード導波路１３に極めて低損失で光学的に結合するように構成されている。すなわち、ＭＭＩ導波路１１は、１入力１出力（１×１）のＭＭＩカップラの構造を有している。
【００６９】
利得領域１の長さ（導波路長）は、ＭＭＩ導波路１１と単一モード導波路１２、１３を併せて約６００μｍである。各ＤＢＲ領域２、３の長さは同じで約１０μｍである。各ＳＳＣ領域４、５の長さも同じで約１５０μｍである。各窓領域６、７の長さも同じで約１５０μｍである。
【００７０】
ＤＢＲ領域２、３の単一モード導波路、および利得領域１の単一モード導波路１１、１２の各幅Ｗ１は、いずれも同じで１．０μｍである。利得領域１のＭＭＩ導波路１１の幅（Ｗ２）は６μｍである。ＳＳＣ領域４の導波路は、導波路幅が素子端面８に向かって徐々に細くなるようなテーパ形状になっており、ＤＢＲ領域２との境界部における導波路幅が１．０μｍ、窓領域６との境界部における導波路幅が０．５μｍになっている。これと同様に、ＳＳＣ領域５の導波路は、導波路幅が素子端面９に向かって徐々に細くなるようなテーパ形状になっており、ＤＢＲ領域３との境界部における導波路幅が１．０μｍ、窓領域７との境界部における導波路幅が０．５μｍになっている。
【００７１】
ここで、活性層におけるＭＭＩ理論について簡単に説明しておく。ＭＭＩ理論は、多モード導波路に入射した光の伝搬特性に関するもので、一般には、１×ＮもしくはＮ×Ｎ等の分岐・合波導波路（受動光導波路）を設計する理論として知られている（例えば、Ｌｕｃａｓ  Ｂ．Ｓｏｌｄａｎｏ、「ジャーナル・オブ・ライトウエイブ・テクノロジー（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）」、Ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．４、第６１５〜６２７頁、１９９５を参照）。この理論によれば、多モード導波路において、入射光が導波路形状、屈折率および入射波長により決定される所定の距離（ＭＭＩ領域長Ｌ）を伝搬した後に、入射光の自己投影像を得ることができる。このとき、わずかなモード変換損失が生ずるものの、分岐、合波における損失は発生しない。以降の説明において、このような分岐、合波における損失なしに、入射光の自己投影像が得られるよう設計されたＭＭＩを（１入力１出力）１×１ＭＭＩと呼ぶことにする。
【００７２】
ＭＭＩ領域長Ｌは、一般的な入射条件の場合、
Ｌ＝（３・Ｌπ）×ｍ（ｍは整数）
で与えられ、ＭＭＩ導波路の中央に左右対称な光を入射した場合は、
Ｌ＝（３・Ｌπ／４）×ｍ（ｍは整数）
で与えられ、ＭＭＩ実効導波路幅Ｗｅを３等分する座標に入射した場合は、
Ｌ＝（Ｌπ）×ｍ（ｍは整数）
で与えられる。ここで、
Ｌπ＝（４・ｎｒ・Ｗｅ２）／（３・λ０）
Ｗｅ＝ＷＭ＋（λ０／π）・（ｎｃ／ｎｒ）２・（ｎｒ２−ｎｃ２）−（１／２）
である。また、ＷＭはＭＭＩ領域の物理的な幅、ｎｒは導波路の屈折率、ｎｃはクラッドの屈折率、λ０は入射光波長である。σはＴＥモードのときσ＝０、ＴＭモードのときｏ＝１である。
【００７３】
さらに、ＭＭＩ理論によると、
ＬＮ＝Ｌ×ｍ／Ｎ（ｍは整数）
を満たす伝搬距離ＬＮという条件においては、光出力を等分配可能な１×Ｎ光カップラとして動作する。この場合のＮは正の整数であり、１であっても勿論問題はない。
【００７４】
以上の原理を利用すれば、幅の広い多モード光導波路でありながら、両端面においては単一横モード光のみが伝搬する構造を有する１×１ＭＭＩ光導波路の設計が可能である。利得領域１のＭＭＩ導波路１１は、そのような１×１ＭＭＩ光導波路の構造になっている。なお、ここでは、ＭＭＩ理論の概略を示したが、詳細な原理及び定義については上述の文献に従うものとする。
【００７５】
次に、本実施形態の利得クランプ型ＳＯＡの断面構造について、図１の（ｂ）〜（ｄ）を参照して説明する。
【００７６】
ＩｎＰ基板２０の基板面上の利得領域１に対応する領域には活性層２５が形成されており、この活性層２５によりＭＭＩ導波路１１および単一モード導波路１２、１３が構成されている。ＩｎＰ基板２０の基板面上のＤＢＲ領域２およびＳＳＣ領域４に対応する領域には、導波路部となるコア層２４が形成されており、ＤＢＲ領域３およびＳＳＣ領域５に対応する領域にも同様なコア層２４が形成されている。素子端面８から素子端面９まで繋がる一連の導波路は、これらコア層と活性層２５が同一基板面内で突き合わせ結合された、いわゆるバットジョイント構造になっている。
【００７７】
活性層２５は、例えばｎ−ＩｎＰバッファ層と、波長組成１．２μｍのＩｎＧａＡｓよりなる下部ＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ  Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  Ｈｅｔｅｒｏ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層と、−０．２〜−０．３％程度の引っ張り歪を有するＩｎＧａＡｓよりなる活性層と、波長組成１．２μｍのＩｎＧａＡｓよりなる上部ＳＣＨ層と、ｎ−ＩｎＰ層とからなる積層構造になっている。コア層２４は、ｎ−ＩｎＰバッファ層、波長組成１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰバルク層、ｐ−ＩｎＰ層からなるが、ＤＢＲ領域２、３においては、ＩｎＧａＡｓＰバルク層と同一の組成で、光導波方向に対して、周期的、かつ、断続的に形成された回折格子２３が設けられている。
【００７８】
以上のコア層２４および活性層２５からなる導波路は、全体がｐ−ＩｎＰクラッド層２７及びｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２６からなる半導体層で覆われている。ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２６は、利得領域１に対応する領域に形成されており、その上面には利得領域１に電流注入を行うためのｐ電極２１ｂが形成されている。ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２６以外の電流注入が不要な領域には、絶縁膜および保護膜としてのＳｉＯ２膜３０が形成されている。ＩｎＰ基板２０の裏面（導波路が形成された面とは反対の面）には、ｎ電極２１ａが形成されている。
【００７９】
上述したコア層２４および活性層２５からなる導波路は、図１の（ｃ）および（ｄ）に示した、光導波方向に垂直な方向の断面構造から分かるように、導波路の両脇がエッチングによってＩｎＰ基板２０に到達するまで除去されている。エッチングされた部分（凹部）は、Ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層２９及びｎ−ＩＮＰ電流ブロック層２８からなる電流狭窄構造になっている。この電流狭窄構造の部分も、全体がｐ−ＩｎＰクラッド層１７及びｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２６からなる半導体層で覆われている。これに似た導波路構造として、ＤＣ−ＰＢＨ（  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｐｌａｎａｒ  Ｂｕｒｉｅｄ  Ｈｅｔｅｒｏ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造のレーザ構造が知られている。
【００８０】
本実施形態の利得クランプ型ＳＯＡでは、ｐ電極２１ｂから活性層２５に所定の大きさの電流を注入しながら、活性層２５を挟むように配置されたＤＢＲ領域２、３の間において所定の波長でレーザ発振させた状態で、以下のような入力光（信号光）の増幅動作（ＳＯＡ動作）が行われる。
【００８１】
入力光（信号光）は、素子端面８から入射し、窓領域６、ＳＳＣ領域４、ＤＢＲ領域２を順次経て利得領域１に到達し、この利得領域１において活性層２５を伝搬することで増幅される。増幅された信号光は、ＤＢＲ領域３、ＳＳＣ領域５、窓領域７を順次経て素子端面９から出射する。
【００８２】
利得領域１においては、信号光は単一モード導波路１２からＭＭＩ導波路１１に入射する。ＭＭＩ導波路１１は１×１ＭＭＩ構造であるので、単一モード導波路１３側の端面において、単一モード導波路１２から入射した光の自己投影像が得られる。よって、このＭＭＩ導波路１１では、単一モード導波路１２から入射した光は干渉効果によって単一モード導波路１３に光学的に結合される。このとき、分岐、合波の損失はほとんどない。
【００８３】
以上のように、本実施形態によれば、活性層２５の一部をＭＭＩ導波路１１で構成したことで、活性層２５の面積を広くすることができ、その分だけ活性層２５への入力光密度を低減することができ、これにより飽和出力を高めることができる。
【００８４】
また、活性層２５における信号光の増幅は、レーザ発振状態において行われるので、活性層２５は、その発振閾利得にクランプされることになり、信号光に対して常に一定の利得を与えることができる。これにより、利得飽和に起因する信号波形の劣化や波長多重信号光を増幅する際のチャネル間クロストークを抑制することができる。
【００８５】
なお、本実施形態の場合は、クランプ光は素子端面８、９のそれぞれから出射することになるので、素子端面９側に、クランプ光を除去するためのフィルタが必要である。
【００８６】
次に、本実施形態の利得クランプ型ＳＯＡの製造方法について説明する。図２の（ａ）〜（ｅ）および図３の（ｆ）〜（ｈ）は、図１に示した利得クランプ型ＳＯＡの一連の製造手順を示す工程図である。図２、３の（ａ）〜（ｈ）に示すいずれの工程にも、図１の（ｂ）〜（ｄ）に示した３つの断面構造に対応する部分が示されている。
【００８７】
まず、図２（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板２０上に活性層２５をＭＯＶＰＥ法によって形成する。この活性層２５の形成では、例えばｎ−ＩｎＰバッファ層（厚さ１００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓＰよりなる下部ＳＣＨ層（波長組成１．２μｍ、厚さ１００ｎｍ）、−０．２〜ー０．３％程度の引っ張り歪みを有するＩｎＧａＡｓＰよりなる活性層（厚さ５０ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓＰよりなる上部ＳＣＨ層（波長組成１．２μｍ、厚さ１００ｎｍ）、ｐ−ＩｎＰ層（厚さ１００ｎｍ）がＩｎＰ基板２０上に順次積層される。
【００８８】
次いで、図２（ｂ）に示すように、周知のフォトリソグラフィと反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を利用して、利得領域１を保護するような形状のＳｉＯ２層３１を形成し、さらにそのＳｉＯ２層３１をマスクとして用いて、ＤＢＲ領域２、３、ＳＳＣ領域４、５および窓領域６、７に積層された活性層の部分をＲＩＥ法もしくはウエットエッチングにより除去する。
【００８９】
次いで、図２（ｃ）に示すように、ＳｉＯ２層３１をそのまま選択成長用マスクとして用い、ＤＢＲ領域２、３、ＳＳＣ領域４、５および窓領域６、７にコア層２４をＭＯＶＰＥ法により成長する。このコア層２４の形成では、例えば、ｎ−ＩｎＰバッファ層（厚さ１００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓＰバルク層（波長組成１．３μｍ、厚さ２５０ｎｍ）、ｐ−ＩｎＰ層（厚さ１２０ｎｍ）、グレーティング層（波長組成１．３μｍ、厚さ３０ｎｍ）、及びｐ−ＩｎＰカバー層（厚さ１００ｎｍ）がＩｎＰ基板２０上に順次積層される。このようにして形成されたコア層２４は、同一平面（ＩｎＰ基板２０の基板面）上で活性層２５と結合されており、これによりバットジョイント構造の導波層を形成している。
【００９０】
次いで、図２（ｄ）に示すように、電子ビーム（ＥＢ）露光法を用いて作製したレジストマスクを用い、臭素系エッチャントによってＤＢＲ領域２、３のグレーティング層をエッチングすることにより回折格子２３を形成する。同時に、ＤＢＲ領域２、３の位相領域のグレーティング層も除去する。
【００９１】
次いで、図２（ｅ）に示すように、フォトリソグラフィおよびＲＩＥ法により新たにパターニングしたＳｉＯ２層３２をマスクとして用いて、コア層２４および活性層２５からなる導波路部分の平面形状を決定する半導体エッチングをＲＩＥ法により施す。これにより、活性層２５およびコア層２４からなる導波路部分に、導波方向に沿って、ＩｎＰ基板２０に到達する深さ２μｍ、幅５μｍの２本の溝３３ａ、３３ｂが形成される。これらの溝３３ａ、３３ｂは、導波路の両脇に位置する。
【００９２】
次いで、図３（ｆ）に示すように、ＳｉＯ２層３２をマスクとして用いて、溝３３ａ、３３ｂにｐ−ＩｎＰ電流ブロック層２９及びｎ−ＩｎＰ電流ブロック層２８からなる電流狭窄構造をＭＯＶＰＥ法によって形成する。ここで、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層２９及びｎ−ＩｎＰ電流ブロック層２８の厚さはいずれも、１μｍである。
【００９３】
次いで、図３（ｇ）に示すように、導波路および電流狭窄構造が形成された基板表面全体を覆うように、ｐ−ＩｎＰクラッド層２７（厚さ５μｍ）及びｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２６（厚さ３００ｎｍ）からなる半導体層をＭＯＶＰＥ法に形成する。そして、ＤＢＲ領域２、３の回折格子２３および位相領域、利得領域１をそれぞれ電気的に分離するために、エッチングによって、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２６をそれぞれの領域ごとに分離する。
【００９４】
次いで、図３（ｈ）に示すように、導波路を中心に１５μｍ程度の幅のメサが形成されるように、導波路の両脇に幅５μｍ程度の素子分離溝３３をＲＩＥ法により形成する。この素子分離溝３３は、ＩｎＰ基板２０にまで到達する深さ（約６μｍ程度）とする。素子分離溝３３を形成後、フォトリソグラフィにてＳｉＯ２よりなる電極窓を形成する。続いて、通常のスパッタリング法とリソグラフィにより基板表面にｐ電極２１ｂを形成した後、ＩｎＰ基板２０の裏面に研磨を施し、そこにスパッタリング法によりｎ電極２１ａを形成する。
【００９５】
以上の工程によりウエハとしてのプロセスを完了する。この後、ウエハを劈開することで得られる各素子について、必要に応じて、劈開端面に高反射もしくは無反射コーティングを施す。こうして、本実施形態の利得クランプ型ＳＯＡを得る。
【００９６】
（実験例）
図１に示した利得クランプ型ＳＯＡの利得飽和性能を実験により確認した。はじめに、本利得クランプ型ＳＯＡの素子端面８、９にファイバ光結合し、ビットレートが１０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ変調信号を重畳した波長１．５５μｍの光を入射した。注入電流を７００ｍＡで一定として、入力信号光の光強度を変化させたところ、入力光強度が２ｄＢｍ以下では、２０ｄＢの一定したファイバ間利得が得られた。同時に波長１．５１μｍでクランプ光が発振していることが確認された。また出力信号波形の信号誤り率を測定したところ、ＳＯＡを通過しない場合と比較して顕著な符号謝り率の増加は観測されなかった。尚、入力光強度が２ｄＢｍ以上では、クランプ光の発振が停止し、ファイバ間利得の減少が確認された。以上の結果から、本発明によるＳＯＡでは、ファイバ間利得２０ｄＢ以上、飽和出力２０ｄＢｍ以上という、従来実現不可能な極めて高い利得特性を得られることが明らかになった。なお、入力光の偏波を回転しながら測定した変光依存性利得（ＰＤＧ）は、０．５ｄＢ以下であった。
【００９７】
次に、波長１．５４μｍおよび１．５５μｍの２波長のレーザ光のそれぞれにビットレートが１０Ｇｂ／ｓのＮＲＺ変調信号を重畳した上で合波した波長多重信号光を素子端面８から入射して、本利得クランプ型ＳＯＡの出力飽和点近傍の信号透過特性を測定した。ここで、２波長のＷＤＭ信号光を用いた理由は、多重化された相手波長のオンオフの影響が最も大きくなる条件であるからである。増幅後の信号光を分波して、波長が１．５４μｍおよび１．５５μｍの透過信号波形の信号誤り率を測定したところ、両波長において顕著なパワーペナルティーの劣化は観測できなかった。このことから、本利得クランプ型ＳＯＡでは良好な波長クロストーク性能を有することが明らかになった。
【００９８】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態である利得クランプ型ＳＯＡの構造を説明するための図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示す構造のＣ−Ｃ’面における断面図である。
【００９９】
まず、図４（ａ）を用いて、本実施形態の利得クランプ型ＳＯＡの導波路部の構造を説明する。本実施形態の利得クランプ型ＳＯＡは、入力光が伝搬する第１の経路（素子端面８側のポートＰ２と素子端面９側のポート３と結ぶ経路）と、クランプ光が伝搬する第２の経路（素子端面８側のポートＰ１と素子端面９側のポート４とを結ぶ経路）とが空間的に分離された構造になっている以外は、基本的には図１と同様な構造である。図４中、同じ構造部分には同じ符号を付している。
【０１００】
第１の経路の導波路部は、利得領域１を中心に素子端面８側と素子端面９側が対称な構造になっている。一方、第２の経路の導波路部は、利得領域１を中心とすると、素子端面９側の導波路部分は、利得調整領域１０を有する点で素子端面８側の導波路部と異なる。
【０１０１】
利得領域１の導波路部分は、１×１ＭＭＩ構造を有するＭＭＩ導波路１１’と、その両端に設けられた単一モード導波路１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂからなる。単一モード導波路１２ａは単一モード導波路４０ａを介してポートＰ１に繋がっており、単一モード導波路１２ｂは単一モード導波路４０ｂを介してポートＰ２に繋がっている。単一モード導波路１３ａは単一モード導波路４１ａを介してポートＰ３に繋がっており、単一モード導波路１３ｂは単一モード導波路１０ａ、４１ｂを介してポートＰ４に繋がっている。ＭＭＩ導波路１１’は、単一モード導波路１２ｂから入射した光が多モード領域を伝搬した後に干渉効果によって単一モード導波路１３ａに極めて低損失で光学的に結合するように構成されている。
【０１０２】
単一モード導波路４０ａ、４０ｂは、ＤＢＲ領域２およびＳＳＣ領域４の複数の領域にわたって形成されており、いずれも、ＳＳＣ領域４における導波路部分が、素子端面８に向かって導波路幅が細くなるテーパ形状になっている。単一モード導波路４０ａのテーパ形状部分の長さは、単一モード導波路４０ｂのそれより短い。単一モード導波路４１ａは、利得調整領域１０、ＤＢＲ領域３およびＳＳＣ領域５の複数の領域にわたって形成されており、単一モード導波路４１ｂは、ＤＢＲ領域３およびＳＳＣ領域５の複数の領域にわたって形成されている。単一モード導波路４１ａ、４１ｂのＳＳＣ領域４における導波路部分は、いずれも素子端面９に向かって導波路幅が細くなるテーパ形状になっている。単一モード導波路４１ｂのテーパ形状部分の長さは、単一モード導波路４１ａのそれより短い。単一モード導波路１０ａは、利得調整領域１０に対応する部分である。
【０１０３】
次に、本実施形態の利得クランプ型ＳＯＡの断面構造について、図４（ｂ）を参照して説明する。
【０１０４】
ＩｎＰ基板２０の基板面上には活性層２５ａ、利得調整活性層２５ｂが隣接して設けられており、さらにその両側にコア層２４’が設けられている。第１および第２の経路を構成する導波路部分は、これらコア層２４’、活性層２５ａおよび利得調整活性層２５ｂが同一基板面内で突き合わせ結合されたバットジョイント構造になっている。
【０１０５】
ＭＭＩ導波路１１’および単一モード導波路１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂは活性層２５ａにより構成され、単一モード導波路１０ｂは利得調整活性層２５ｂにより構成され、単一モード導波路４０ａ、４０ｂ、４１ａ、４１ｂはコア層２４’により構成されている。単一モード導波路４０ａのＤＢＲ領域２の部分および単一モード導波路４１ｂのＤＢＲ領域３の部分には、それぞれ回折格子２３’が形成されており、これにより第２の経路（ポートＰ１−Ｐ４間の経路）において所定の波長でのレーザ発振が可能になっている。
【０１０６】
活性層２５ａ、コア層２４’および回折格子２３’は、図１に示した構造における活性層２５、コア層２４および回折格子２３と同様な構造である。利得調整活性層２５ｂは、活性層２５ａと同一構造であり、活性層２５ａの一部でこの利得調整活性層２５ｂを構成してもよい。
【０１０７】
以上のコア層２４’、活性層２５ａおよび利得調整活性層２５ｂからなる導波路は、全体がｐ−ＩｎＰクラッド層２７及びｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２６’からなる半導体層で覆われている。ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２６’は、活性層２５ａおよび利得調整活性層２５ｂに対応する領域に形成されており、その上面にはｐ電極２１ｂ、２１ｂ’が形成されている。ｐ電極２１ｂは利得領域１の活性層２５ａに電流を注入するためのもので、ｐ電極２１ｂ’は利得調整領域１０の利得調整活性層２５ｂに電流を注入するためのものである。
【０１０８】
以上説明した構成以外の部分（電流狭窄構造など）は、基本的には、図１に示したものと同様であるので、ここでは、その部分についての詳細な説明は省略する。
【０１０９】
本実施形態の利得クランプ型ＳＯＡでは、ｐ電極２１ｂから活性層２５ａに所定の大きさの電流を注入しながら、第２の経路（ポートＰ１−Ｐ４間の経路）においてＤＢＲ領域２、３間で所定の波長でレーザ発振させた状態で、以下のような入力光（信号光）の増幅動作（ＳＯＡ動作）が行われる。
【０１１０】
入力光（信号光）は、第２の経路（ポートＰ１−Ｐ４間の経路）とは空間的に分離された第１の経路（ポートＰ２−Ｐ３間の経路）を伝搬する。ポートＰ２から入射した入力光（信号光）は、単一モード導波路４０ｂを伝搬して利得領域１に到達し、この利得領域１において活性層２５ａを伝搬することで増幅される。増幅された信号光は、単一モード導波路４１ａを伝搬してポートＰ３から出射される。
【０１１１】
利得領域１では、信号光は単一モード導波路１２ｂからＭＭＩ導波路１１’に入射する。ＭＭＩ導波路１１’は１×１ＭＭＩ構造であるので、単一モード導波路１３ａ側の端面において、単一モード導波路１２ｂから入射した光の自己投影像が得られる。よって、このＭＭＩ導波路１１’では、単一モード導波路１２ｂから入射した光は干渉効果によって単一モード導波路１３ａに光学的に結合される。このとき、分岐、合波の損失はほとんどない。
【０１１２】
一方、クランプ光は、第２の経路（ポートＰ１−Ｐ４間の経路）を伝搬してポートＰ１、Ｐ４のそれぞれから出射される。
【０１１３】
以上のように、本実施形態の利得クランプ型ＳＯＡによれば、活性層２５ａの一部をＭＭＩ導波路１１’で構成したことで、活性層２５ａの面積を広くすることができ、その分だけ活性層２５ａへの入力光密度を低減することができる。これにより、飽和出力を高めることができる。
【０１１４】
また、活性層２５ａにおける信号光の増幅は、レーザ発振状態において行われているので、活性層２５ａは、その発振閾利得にクランプされることになり、信号光に対して常に一定の利得を与えることができる。
【０１１５】
さらに、利得調整活性層２５ｂへの注入電流または印加電圧の量を制御することで、第２の経路（ポートＰ１−Ｐ４間の経路）におけるクランプ光のレーザ発振閾利得をチューニングできる。このチューニングは、利得領域１における活性層２５ａの利得係数を変化させることでもある。したがって、利得調整活性層２５ｂへの注入電流の制御により信号光の利得を調整することができる。
【０１１６】
また、本実施形態では、クランプ光は、信号光が伝搬する第１の経路（ポートＰ２−Ｐ３間の経路）とは空間的に分離された第２の経路（ポートＰ１−Ｐ４間の経路）を伝搬するようになっているので、第１の実施形態で必要とされた、クランプ光を除去するためのフィルタが不要となる他、クランプ光と信号光が同一の波長であってもよいというメリットもある。
【０１１７】
本実施形態の利得クランプ型ＳＯＡの製造方法は、第１の実施形態で説明した製造方法とほぼ同じであるため、ここではごく簡単に述べるにとどめる。本実施形態の利得クランプ型ＳＯＡは、第１の実施形態のものと同様、ＤＣ―ＰＢＨ構造である。その製造方法を大まかに述べると、利得領域１、利得調整領域１０の活性層成長工程と、ＤＢＲ領域２、３、ＳＳＣ領域４、５および窓領域６、７における活性層の除去工程と、同領域へのコア層２４’の再成長によるバットジョイント構造形成工程と、回折格子２３’の形成工程と、導波路パターン形成工程と、電流狭窄構造成長工程と、埋め込み成長工程と、素子分離工程と、電極形成工程と、劈開および端面コーティング工程とを含む。
【０１１８】
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態である利得クランプ型ＳＯＡの構造を説明するための平面図である。本実施形態の利得クランプ型ＳＯＡは、空間的に分離された第１および第２の経路の導波路が全て活性層により構成され、出力光が出射される側のＤＢＲ領域が利得調整領域を兼ねるように構成された以外は、上述した第２の実施形態のものと同じ構造のものである。図５中、同じ構造部分には同じ符号を付している。
【０１１９】
入力光（信号光）が伝搬する第１の経路（ポートＰ２−Ｐ３間の経路）の導波路部分は、利得領域１を中心とすると、素子端面８側と素子端面９側が対称な構造になっている。一方、クランプ光が伝搬する第２の経路（ポートＰ１−Ｐ４間の経路）の導波路部分は、利得領域１を中心とすると、素子端面８側と素子端面９側がほぼ対称な構造になっているが、素子端面９側のＤＢＲ領域３が利得調整領域を兼ねる点で素子端面８側の導波路部分と異なる。すなわち、この第２の経路におけるＤＢＲ領域３の単一モード導波路４１ｂ’は、ＤＢＲ構造でありながら、活性層への電流注入制御を個別に行えるように構成されている。利得領域１の単一モード導波路１３ｂは、この単一モード導波路４１ｂ’を介してポートＰ４に繋がっている。
【０１２０】
本実施形態の利得クランプ型ＳＯＡでは、ポートＰ２から入射した入力光（信号光）は、上述した第２の実施形態の場合と同様に、利得領域１の活性層を伝搬することで増幅される。増幅された信号光は、ポートＰ３から出射される。一方、クランプ光は、第２の経路（ポートＰ１−Ｐ４間の経路）を伝搬してポートＰ１、Ｐ４のそれぞれから出射されるが、そのレーザ発振閾利得は、ＤＢＲ領域３において活性層への電流注入または印加電圧の量を個別に制御することで調整されるようになっており、この点が第２の実施形態のものと異なる。
【０１２１】
以上のように構成された本実施形態の利得クランプ型ＳＯＡによれば、導波路をすべて活性層としているので、第１および第２の実施形態のものと比べて、バットジョイント構造の形成が不要となる分、製造工程を短縮することができる。この他の特徴は、第２の実施形態で述べたものと同じである。
【０１２２】
本実施形態の利得クランプ型ＳＯＡの製造方法は、バットジョイント構造形成工程がない以外は、第１の実施形態で説明した製造方法とほぼ同じであるため、ここではごく簡単に述べるにとどめる。本実施形態の利得クランプ型ＳＯＡも、第１の実施形態のものと同様、ＤＣ―ＰＢＨ構造である。その製造方法を大まかに述べると、利得領域１をはじめとする全導波路の活性層成長工程と、ＤＢＲ領域２、３への回折格子形成工程と、導波路パターン形成工程と、電流狭窄構造成長工程と、埋め込み成長工程と、素子分離工程と、電極形成工程と、劈開および端面コーティング工程とからなる。
【０１２３】
（第４の実施形態）
図６は、本発明の第４の実施形態である利得クランプ型ＳＯＡの構造を説明するための図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示す構造のＣ−Ｃ’における断面図である。本実施形態の利得クランプ型ＳＯＡは、空間的に分離された第１および第２の経路の導波路が全て活性層により構成され、ＤＢＲ領域が全反射ミラーで置き換えられた以外は、上述した第２の実施形態のものと同じ構造のものである。図６中、同じ構造部分には同じ符号を付している。
【０１２４】
入力光（信号光）が伝搬する第１の経路（ポートＰ２−Ｐ３間の経路）の導波路部分は、単一モード導波路４０ｂ、１２ｂ、ＭＭＩ導波路１１’、単一モード導波路１３ａ、４１ａからなり、利得領域１のＭＭＩ導波路１１’を中心とすると、素子端面８側と素子端面９側が対称な構造になっている。
【０１２５】
一方、クランプ光が伝搬する第２の経路（ポートＰ１−Ｐ４間の経路）の導波路部分は、単一モード導波路４０ａ’、１２ａ、ＭＭＩ導波路１１’、単一モード導波路１３ｂ、１０ａからなり、利得領域１のＭＭＩ導波路１１’を中心とすると、素子端面８側と素子端面９側が対称な構造になっているが、素子端面９側の導波路部分の一部、すなわち単一モード導波路１０ａにおいて利得調整領域１０が構成されている。単一モード導波路４０ａ’の一端がポートＰ１であり、この部分に全反射ミラー５０ａが設けられている。単一モード導波路４０ａ’の他端は単一モード導波路１２ａと繋がっている。単一モード導波路１０ａの一端がポートＰ４であり、この部分に全反射ミラー５０ｎが設けられている。
【０１２６】
本実施形態の利得クランプ型ＳＯＡでは、ポートＰ２から入射した入力光（信号光）は、上述した第２の実施形態の場合と同様に、利得領域１の活性層２５ａを伝搬することで増幅される。増幅された信号光は、ポートＰ３から出射される。一方、クランプ光は、第２の経路（ポートＰ１−Ｐ４間の経路）を伝搬してポートＰ１、Ｐ４のそれぞれから出射されるが、そのレーザ発振動作は全反射ミラー５０ａ、５０ｂ間で行われるようになっており、この点が第２の実施形態のものと異なる。信号光の増幅動作および発振閾利得でのクランプ動作については、第２および第３の実施形態のものと同じであるので、ここでは、その詳細な説明は省略する。
【０１２７】
以上のように構成された本実施形態の利得クランプ型ＳＯＡによれば、導波路をすべて活性層としているので、第３の実施形態のものと同様、バットジョイント構造の形成が不要である。よって、第１および第２の実施形態のものと比較して、製造工程を短縮することができる。加えて、反射器を全反射ミラーで構成しているので、グレーティング形成が不要となる。よって、第３の実施形態のものと比べて、さらに製造工程を短縮することができる。この他の特徴は、第２の実施形態で述べたことと同じである。
【０１２８】
なお、図６に示した構成では、ＤＢＲ反射器に代わる反射体として全反射ミラーを用いているが、この他、誘電体多層膜よりなる反射膜やファイバブラッググレーティングなどを反射体として用いることも可能である。
【０１２９】
本実施形態の利得クランプ型ＳＯＡの製造方法は、グレーティング形成工程が無いことと、素子分離工程においてポートＰ１、Ｐ４にドライエッチング端面を持つ全反射ミラー５０ａ、５０ｂを形成すること以外は、第３の実施形態で説明した製造方法とほぼ同じであるため、ここではごく簡単に述べるにとどめる。本実施形態の利得クランプ型ＳＯＡも、第１の実施形態のものと同様、ＤＣ―ＰＢＨ構造である。その製造方法を大まかに述べると、利得領域１をはじめとする全導波路の活性層成長工程、導波路パターン形成工程、電流狭窄構造成長工程、埋め込み成長工程、素子分離工程、電極形成工程、劈開および端面コーティング工程からなる。
【０１３０】
（第５の実施形態）
図７は、本発明の第５の実施形態である光モニタ付き利得クランプ型ＳＯＡの構成を説明するための平面図である。本実施形態の光モニタ付き利得クランプ型ＳＯＡ６０は、上述した第２〜第４の実施形態のいずれかの構造を有する利得クランプ型ＳＯＡ５０と、利得クランプ型ＳＯＡ５０のポートＰ４から出射されるクランプ光を受光するモニタ用のフォトダイオード（ＰＤ）５１とからなる。
【０１３１】
ＰＤ５１は、利得クランプ型ＳＯＡ５０のポートＰ４から出射されるクランプ光の光強度に応じた電気信号を出力するもので、その出力は、利得領域１における電流注入制御および利得調整のための電流注入制御を行う駆動回路（不図示）やＳＯＡ外部に設けられた可変減衰器（または可変増幅器）に供給される。このＰＤ５１の実装の仕方については、設計に応じて種々、変更可能である。例えば、ＰＤ５１は、利得クランプ型ＳＯＡ５０の基板上にモノリシックに集積されていてもよいし、また、利得クランプ型ＳＯＡ５０を含むモジュール内の、利得クランプ型ＳＯＡ５０のポートＰ４の端面近傍に配置されてもよい。
【０１３２】
本実施形態では、クランプ光の出射光強度が、信号光の入力光強度に対して相関（負の相関）を有することに注目し、クランプ光の光強度をモニタすることで、利得クランプ型ＳＯＡの定光出力動作（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  ｐｏｗｅｒ  ｃｏｎｔｒｏｌ：ＡＰＣ）を実現する。以下、光モニタ付き利得クランプ型ＳＯＡ６０のＡＰＣ動作について具体的に説明する。
【０１３３】
光モニタ付き利得クランプ型ＳＯＡ６０は、光ファイバ伝送路５２、５３の間に挿入され、光ファイバ伝送路５２から光ファイバ伝送路５３へ伝搬する信号光を増幅する。信号光としては、一般に、波長多重または時間多重された信号が用いられるが、ここでは、波長多重信号が用いられる場合を例に挙げて動作を説明する。
【０１３４】
図８に示すように、波長多重された信号光（波長λ１〜λＮ）が利得クランプ型ＳＯＡ５０のポートＰ１から入力された場合、その入力光のトータル光強度は、各波長λ１〜λＮの光強度の和となる。この入力光は、利得クランプ型ＳＯＡ５０で各波長λ１〜λＮの光が増幅され、該増幅された光が出力光としてポートＰ３から光ファイバ伝送路５３に送られる。
【０１３５】
上記の光増幅過程において、利得クランプ型ＳＯＡ５０のポートＰ４から出射されるクランプ光は、入力光との相互利得変調（クロスゲインモジュレーション：ＸＧＭ）によって入力光強度を反転した光強度変化を示すため、この変化をＰＤ５１で検出することで、利得クランプ型ＳＯＡ５０へのトータルの入力光強度を間接的に知ることができる。このようにして得られた入力光強度に関する情報を利得クランプ型ＳＯＡ５０の利得調整、または、外部の可変減衰器や可変増幅器の駆動にフィードバックすることで、ＡＰＣ動作を行うことができる。
【０１３６】
図９（ａ）は、利得調整の駆動にフィードバック制御をかけることでＡＰＣ動作が行われる中継増幅器の一例を示すブロック図である。この中継増幅器は、上述したＰＤ５１を備える利得クランプ型ＳＯＡ５０より構成された光モニタ付き利得クランプ型ＳＯＡ６０と、利得クランプ型ＳＯＡ５０の利得調整のための電流注入制御を行う駆動回路６１とからなる。駆動回路６１による電流注入制御は、例えば、第２、第４の実施形態であれば、利得調整領域１０における電流注入制御であり、第３の実施形態であれば、ＤＢＲ領域３における電流注入制御である。ＰＤ５１の出力は駆動回路６１に入力されている。駆動回路６１が、ＰＤ５１の出力が一定になるように電流注入制御を行うことで、利得クランプ型ＳＯＡ５０の出力光強度は一定となる。このようにして、ＡＰＣ動作を行う。
【０１３７】
図９（ｂ）は、可変減衰器（または可変増幅器）の駆動にフィードバック制御をかけることでＡＰＣ動作が行われる中継増幅器の一例を示すブロック図である。この中継増幅器は、上述したＰＤ５１を備える利得クランプ型ＳＯＡ５０より構成された光モニタ付き利得クランプ型ＳＯＡ６０と、利得クランプ型ＳＯＡ５０の出力光が入力される光ファイバ伝送路５３中に挿入された可変光減衰／増幅器６３と、可変光減衰／増幅器６３の利得を調整する信号処理回路６２とからなる。ＰＤ５１の出力は信号処理回路６２に入力されている。信号処理回路６２が、ＰＤ５１の出力の変化に応じて可変光減衰／増幅器６３における利得を調整することで、可変光減衰／増幅器６３の出力光強度は一定となる。このようにして、ＡＰＣ動作を行う。
【０１３８】
上述した各中継増幅器において、ＰＤ５１の出力、すなわちトータルの入力光強度に関する情報は本中継増幅器を含む伝送システム全体の動作を監視・制御するための情報としても有効である。このため、上述した駆動回路６１および信号処理回路６２は、トータルン入力光強度に関する情報が伝送線路監視信号として出力するように構成されている。
【０１３９】
また、図９（ｂ）に示した中継増幅器は、可変光減衰／増幅器６３を構成する可変光減衰器と可変光増幅器の間に、光フィルタや光カップラなどの光部品を挿入することが可能であることから、中継器としての機能をより柔軟に構成可能である。
【０１４０】
なお、伝送路を伝搬する光の強度をモニタする手法として、光カップラで伝送信号光の一部を分離する方法が一般に知られているが、この方法を上記のモニタに利用する場合は、分離した分だけ信号光が減衰してしまう、という不都合が生じる。本実施形態においては、そのような信号光の減衰を伴うことなく、光強度をモニタすることが可能であることから、この点においても大きな効果を奏する。
【０１４１】
（第６の実施形態）
光通信システムの受信器（フォトダイオード）では、伝搬損失を受けて大きく減衰された微弱な信号光を誤りなく電気信号に変換する必要がある。この信号変換の誤りを少なくするためには、強度の減衰した伝搬光を受光部であるＰＤの直前で光増幅することによって信号光のＳ／Ｎ比（信号／雑音比）の改善を図る、いわゆる光プリアンプを設けることが有効である。ここでは、そのような光プリアンプとして、上述した第２〜４のいずれかの利得クランプ型ＳＯＡを利用した受信器について説明する。
【０１４２】
図１０は、本発明の第６の実施形態であるＳＯＡ光アンプ付きフォトダイオード（ＰＤ）の構成を説明するための平面図である。このＳＯＡ光アンプ付きＰＤは、上述した第２〜第４の実施形態のいずれかの構造を有する利得クランプ型ＳＯＡ７０と、利得クランプ型ＳＯＡ７０のポートＰ３から出射されるクランプ光を受光するＰＤ７１とからなる。ＰＤ７１の実装の仕方については、設計に応じて種々、変更可能である。例えば、ＰＤ７１は、利得クランプ型ＳＯＡ７０の基板上にモノリシックに集積されていてもよいし、また、利得クランプ型ＳＯＡ７０を含むモジュール内の、利得クランプ型ＳＯＡ５０のポートＰ３の端面近傍に配置されてもよい。
【０１４３】
本実施形態のＳＯＡ光アンプ付きＰＤでは、伝搬損失を受けて大きく減衰された微弱な信号光は利得クランプ型ＳＯＡ７０のポートＰ２から入力され、利得クランプ型ＳＯＡ７０にて増幅される。増幅された信号光は利得クランプ型ＳＯＡ７０のポートＰ３から出力され、ＰＤ７１に入射する。この構成によれば、微弱な信号光をＰＤ７１の直前で利得クランプ型ＳＯＡ７０により光増幅することによって、信号光のＳ／Ｎ比の改善を図ることができる。また、光プリアンプとして上述した第２〜第４の実施形態の構造を適用した利得クランプ型ＳＯＡ７０を用いたことで、利得飽和に起因する信号波形の劣化などを抑制することができるので、より安定した状態での信号光の受信が可能となる。
【０１４４】
なお、光アンプの用途では、利得クランプ型ＳＯＡに入射する信号光は、波長分波された単一波長であるのが一般的である。
【０１４５】
（第７の実施形態）
図１１（ａ）は、本発明の第７の実施形態であるＳＯＡ光アンプ付きＰＤの構成を説明するための平面図である。このＳＯＡ光アンプ付きＰＤは、図１０に示した構成において、ポートＰ３から出射される出力光を受光するＰＤ７１に代えて、ポート４から出射されるクランプ光を受光するＰＤ７１’を設けた以外は、上述した第６の実施形態のＳＯＡ光アンプ付きＰＤと同じものである。図１１（ａ）中、同じ部分には同じ符号を付している。
【０１４６】
本実施形態のＳＯＡ光アンプ付きＰＤは、素子構成上は上述した第５の実施形態の光モニタ付きＳＯＡと全く同じである。本実施形態においも、利得クランプ型ＳＯＡ７０のポートＰ４から出射されるクランプ光が、ポートＰ２から入射する入力光との相互利得変調（ＸＧＭ）によって入力光強度を反転した光強度変化を示すことを利用する。すなわち、ポートＰ３から出射される出力光（増幅された信号光）の代わりに、ポートＰ４から出射されるクランプ光をＰＤ７１’で検出することで、受信器として動作する。以下に、その動作原理を説明する。
【０１４７】
図１１（ｂ）は、信号光（ポートＰ２に入射する入力光）の入力光強度とクランプ光の出力光強度との関係を示すグラフである。横軸は信号光の入力光強度Ｐｉｎ（ｄＢｍ）、縦軸は信号光との相互利得変調（ＸＧＭ）により変化するクランプ光の出力光強度Ｐｃｌａｍｐ（ｄＢｍ）である。このグラフから分かるように、入力光強度Ｐｉｎが小さい場合には、入力光強度Ｐｉｎのわずかな変動（ΔＰｉｎ）に対して、出力光強度Ｐｃｌａｍｐは大きく変動（ΔＰｃｌａｍｐ）することが分かる。これは、信号光とクランプ光のＸＧＭを通じて、（ΔＰｃｌａｍｐ／Ｐｉｎ）の利得で信号増幅が行われることを意味する。本実施形態では、このような信号増幅がなされたクランプ光をＰＤ７１’で受光することで、信号光の電気信号への変換がなされる。
【０１４８】
本実施形態のＳＯＡ光アンプ付きＰＤによれば、ＳＯＡの駆動により発生する自然放出光（これは、ＰＤ７１に入射すると雑音となる。）を低減することができるので、より低雑音の光アンプを実現することができ、信号変換の誤り率を低減することができる。
【０１４９】
上述した第６および第７の実施形態の構造を組み合せた構成、すなわち、利得クランプ型ＳＯＡ７０のポートＰ３、Ｐ４にそれぞれＰＤ７１、７１’が設けられた構成とすることもできる。この場合は、ＰＤ７１、７１’の両検出信号を比較することで、より信号検出精度を高くすることができ、信号変換の誤り率をさらに低減することが可能となる。
【０１５０】
以上説明した本発明の素子構造は利得可変、光モニタリングなどの付加的な機能を集積可能であるため、モジュール或いはシステムコストの低減の上で有利である。
【０１５１】
なお、以上の説明では、光通信用途向けの１．５５μｍ帯ＳＯＡを例に挙げたが、本発明の用途や波長帯などはこれに限るものではない。また、可視光や、他の赤外光などでＳＯＡの用途がある場合にも、本発明は適用可能である。また、半導体材料系もＩｎＡｌＡｓやＧａＩｎＮＡｓ、量子ドット活性層など様々な材料系で作製することが可能である。
【０１５２】
本発明は、上述した各実施形態の構成に限定されるものではなく、その構成は発明の要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更可能である。例えば、第１の実施形態のもの出力ポートにフォトダイオードを設けて、これを光通信システムの受信器として用いてもよい。また、ＤＢＲに代えて全反射ミラーを設けたり、反対に全反射ミラーに代えてＤＢＲを設けたりしてもよい。さらにクランプ光を検出するフォトダイオードをポート４側ではなく、ポート２側に設けてもよい。
【０１５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＥＤＦＡの代替が可能な極めて高い飽和利得特性を有するとともに、小型で低コスト化が可能な半導体光増幅器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態である利得クランプ型半導体光増幅器の構造を説明するための図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示す構造のＣ−Ｃ’における断面図、（ｃ）は（ａ）に示す構造のＡ−Ａ’における断面図、（ｄ）は（ａ）に示す構造のＢ−Ｂ’における断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は、図１に示す利得クランプ型半導体光増幅器の一連の製造手順を示す工程図である。
【図３】（ｆ）〜（ｈ）は、図１に示す利得クランプ型半導体光増幅器の一連の製造手順を示す工程図である。
【図４】本発明の第２の実施形態である利得クランプ型半導体光増幅器の構造を説明するための図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示す構造のＣ−Ｃ’面における断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態である利得クランプ型半導体光増幅器の構造を説明するための平面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態である利得クランプ型半導体光増幅器の構造を説明するための図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示す構造のＣ−Ｃ’における断面図である。
【図７】本発明の第５の実施形態である光モニタ付き利得クランプ型半導体光増幅器の構成を説明するための平面図である。
【図８】図７に示す光モニタ付き利得クランプ型半導体光増幅器の動作を説明するための模式図である。
【図９】（ａ）は、利得調整の駆動にフィードバック制御をかけることでＡＰＣ動作が行われる中継増幅器の一例を示すブロック図、（ｂ）は可変減衰器（または可変増幅器）の駆動にフィードバック制御をかけることでＡＰＣ動作が行われる中継増幅器の一例を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第６の実施形態であるＳＯＡ光アンプ付きフォトダイオード（ＰＤ）の構成を説明するための平面図である。
【図１１】（ａ）は、本発明の第７の実施形態であるＳＯＡ光アンプ付きＰＤの構成を説明するための平面図、（ｂ）は、信号光の入力光強度とクランプ光の出力光強度との関係を示すグラフである。
【図１２】従来の半導体光増幅器の素子構造を模式的に示す平面図である。
【図１３】従来の半導体光増幅器の動作原理図である。
【図１４】従来の半導体光増幅器の素子構造を模式的に示す平面図である。
【図１５】利得クランプ型半導体光増幅器の動作原理図である。
【図１６】従来の利得クランプ型半導体光増幅器の素子構造を模式的に示す平面図である。
【図１７】従来の利得クランプ型半導体光増幅器の素子構造を模式的に示す平面図である。
【図１８】従来の利得クランプ型半導体光増幅器の素子構造を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１  利得領域
１、３  ＤＢＲ領域
４、５  ＳＳＣ領域
６、７  窓領域
８、９、１０３、１０４  素子端面
１０  利得調整領域
１１、１１’、１００  ＭＭＩ導波路
１２、１３、１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ、４０ａ、４０ａ’、４０ｂ、４１ａ、４１ｂ、１０１、１０２  単一モード導波路
２０、１３０  ＩｎＰ基板
２１ａ  ｎ電極
２１ｂ、２１ｂ’  ｐ電極
２３、２３’  回折格子
２４、２４’  コア層
２５、２５ａ、１１０、１３１、２００  活性層
２５ｂ  利得調整活性層
２６、２６’  ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
２７、１３２  ｐ−ＩｎＰクラッド層
２８  ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層
２９  ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層
３０、３１、３２  ＳｉＯ２膜
３３  素子分離溝
３３ａ、３３ｂ  溝
５０、７０  利得クランプ型ＳＯＡ
５０ａ、５０ｂ  全反射ミラー
５１、７１、７２  ＰＤ
５２、５３  光ファイバ伝送路
６０  光モニタ付き利得クランプ型ＳＯＡ
６１  駆動回路
６２  信号処理回路
６３  可変光減衰／増幅器
１１１、１１２、１３３、１３４  ＤＢＲ
１２０ａ、１２０ｂ  ＳＯＡ部
１２１、１２２  集束光ファイバ
１２３、１２４  反射器
１２５  可変光減衰器
１２６、１２７、２０２  光合・分波器
２０１  受動光導波路
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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