(57)【要約】【課題】利得を一定値にクランプする目的で生成された一定波長λ０で発振する光３４が出射端面から出射することを防止する。【解決手段】半導体基板２１と、この半導体基板の上方に形成された活性層２２と、半導体基板の上方でかつ活性層の側方に形成された埋込層２３、２４と、活性層の上方に形成されたクラッド層２５ｂとを備え、両端面３０ａ、３０ｂに無反射コート３９ａ、３９ｂが施され、一方の端面３０ａから入射した光３２が、光の伝搬方向に沿って形成された活性層を含む光導波路を伝搬する過程で増幅されて、他方の端面３０ｂから出射する半導体光増幅器において、活性層２２の側方位置でかつ光の伝搬方向に直交する方向に、一定波長λ０で光３４を発振させるための回折格子２９を形成する。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板（２１）と、この半導体基板の上方に形成された活性層（２２）と、前記半導体基板の上方でかつ前記活性層の側方に形成された埋込層（２３、２４）と、前記活性層の上方に形成されたクラッド層（２５ｂ）とを備え、両端面（３０ａ、３０ｂ）に無反射コート（３９ａ、３９ｂ）が施され、一方の端面（３０ａ）から入射した光が、光の伝搬方向に沿って形成された前記活性層を含む光導波路を伝搬する過程で増幅されて、他方の端面（３０ｂ）から出射する半導体光増幅器において、
前記活性層の側方位置でかつ前記光の伝搬方向に直交する方向に、一定波長（λ０）で光（３４）を発振させるための回折格子（２９）を形成したことを特徴とする半導体光増幅器。
【請求項２】
前記埋込層は複数層からなり、そのうち少なくとも１層の埋込層はＩｎＧａＡｓＰで形成されたことを特徴とする請求項１記載の半導体光増幅器。
【請求項３】
前記各端面と前記活性層との間にして、前記端面近傍で前記活性層が途切れることにより形成された窓部（３１ａ、３１ｂ）を有することを特徴とする請求項１又は２記載の半導体光増幅器。
【請求項４】
前記活性層は前記各端面に対して傾斜して形成されたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の半導体光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一方の端面から入射した光を増幅して他方の端面から出射する半導体光増幅器に係わり、特に、増幅の利得を一定に制御した半導体光増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムにおいて、光信号を光ファイバを介して遠方に伝送する場合に光信号の減衰が生じるので、中継器を設けてこの中継器で光信号を増幅する必要がある。光信号を電気信号に変換せずに直接増幅する光増幅器の一つとして半導体光増幅器が検討されている。
【０００３】
半樽体光増幅器は半導体レーザの両端面に無反射コートを施し、ファブリペロー共振を抑圧することで進行波型の光増幅器として利用できる。活性層中の誘導放出現象を利用するために一方の端面から入射した光信号を光のまま直接増幅して他方の端面から出力することができる。このため集積可能な小型光増幅器として期待されている。
【０００４】
利得Ｇは、入射光強度ＰＩと出射光強度ＰＯとの比で示され、半導体光増幅器への注入電流Ｉや出射光強度ＰＯなどの要因で変化する。利得Ｇは出射光強度ＰＯが十分小さい時には、その出射光強度ＰＯによらず一定の利得Ｇを示すが、出射光強度ＰＯが上昇してくると誘導放出のためのキャリアが減少するため利得Ｇが低下する。実際に光通信で用いられる時にも光信号強度に応じて、利得Ｇが変化することで信号に歪が生じ、信号品質が劣化するという問題が生じている。
【０００５】
このような問題を解消するために、利得を一定レベル以下の一定値に固定する利得クランプ型の半導体光増幅器が特許文献１に提唱されている。
【０００６】
この利得クランプ型の半導体光増幅器においては、図１１（ａ）の縦断面図及び図１１（ｂ）の横断面図に示すように、ｎ型ＩｎＰからなる基板１の上方にＩｎＧａＡｓＰからなる導波路２が形成されている。導波路２と各端面３ａ、３ｂとの間に窓部４ａ、４ｂが形成されている。導波路２の上面にｐ型の閉じ込め層５が形成されている。導波路２の下方位置に、この導波路２と平行する格子６が形成されている。閉じ込め層５の上面にｐ電極７が取付けられ、基板１の下面にｎ電極８が取付けられている。
【０００７】
そして、ｐ電極７とｎ電極８とを介して直流の電流Ｉが供給される。一方の端面３ａに入射光強度ＰＩを有する光９が入射され、他方の端面３ｂから出射光強度ＰＯを有する光１０が出射される。また、格子６の格子間隔（ピッチ）は、導波路２で増幅（発振）される光の波長λの波長スペクトラム範囲内に存在する一つの波長λ０に対応する長さに設定されている。
【０００８】
このような半導体光増幅器においては、供給する電流Ｉを増加していくと、一定のしきい値を超えると発光するが、波長λ０で共振して発振状態となる。このように発振状態になると、導波路２内におけるキャリア濃度は、この発振を維持させるに必要な最小利得に対応する平衡値に保たれる。これは、一定のしきい値を超えている限り、供給される電流Ｉが増減しても変化しない。また、入射光強度ＰＩが波長λ０で発振状態の光の光レベル（発振光強度）以下であれば、たとえ入射光強度ＰＩが変化したとしても、導波路２内におけるキャリア濃度は変化しない。
【０００９】
その結果、図１２（ｂ）の特性Ｃに示すように、利得Ｇは広い出力光強度範囲で一定値を維持する。なお、図１２（ｂ）の特性Ｄは、格子６を採用しない通常の半導体光増幅器の利得特性である。
【００１０】
図１２（ａ）は、波長λＩを有する光９を半導体光増幅器に入射した場合における出射される光１０の波長分布特性である。この波長分布特性にも示すように、出射される光１０には、波長λ０の光の発振スペクトル１１、波長λＩを有する入射された光９の増幅後のスペクトル１２、自然放出のスペクトル分布１３が含まれる。
【００１１】
したがって、出射される光１０に含まれる発振のスペクトル１１及び自然放出のスペクトル分布１３を例えば光フィルタ等で取り除く必要がある。なお、自然放出のスペクトル分布１３は、レベルが低い場合は、除去する必要がない。前述した、図１２（ｂ）の特性Ｃは、発振のスペクトル１１を除去したの後の特性である。
【００１２】
【特許文献１】
特開平７―１０６７１４号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら図１１に示す利得クランプ型の半導体光増幅器においても、まだ解消すべき次のような課題があった。
【００１４】
すなわち、図１１に示すように、波長λ０で光の発振を生起させる格子６は、入射した光９の伝搬方向に形成されているので、図１２（ａ）に示す波長λ０で発振するスペクトル１１を含む光は光の伝搬方向にそのまま進行して端面３ｂを介して光１０として出力する。一方、端面３ａに入射した波長λＩを有する光９は、導波路３内を伝搬する過程で増幅されて、端面３ｂを介して光１０として出力する。
【００１５】
したがって、この半導体光増幅器から出力される光１０には、波長λＩを有する入射された光９の増幅後の光の他に、利得Ｇを一定値にクランプする目的で生成された波長λ０で発振するスペクトル１１を含む光が含まれるので、この波長λ０で発振するスペクトル１１を取り除く光フィルタ等の光学素子が必要となる。
【００１６】
その結果、この半導体光増幅器と光フィルタ等の光学素子とを組み合わせて、一つの光増幅器とする必要があり、光増幅器の部品点数が増加して、光増幅器の製造費が上昇する。さらに、この光増幅器を例えば光ファイバの中継器に組み込むときに、半導体光増幅器と光フィルタ等の光学素子の光軸合わせ等の余分な調整作業が必要となり、設置作業能率が低下する。
【００１７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、光の伝搬方向の端面から出力される光に、利得を一定値にクランプする目的で生成された一定波長で発振する光の成分が含まれることを防止でき、この光成分を除去するための光フィルタ等の光学素子を別途設ける必要がなく、簡単な構成で、利得を広い光強度範囲で一定値に維持できる半導体光増幅器を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解消するために、本発明は、半導体基板と、この半導体基板の上方に形成された活性層と、半導体基板の上方でかつ活性層の側方に形成された埋込層と、活性層の上方に形成されたクラッド層とを備え、両端面に無反射コートが施され、一方の端面から入射した光が、光の伝搬方向に沿って形成された活性層を含む光導波路を伝搬する過程で増幅されて、他方の端面から出射する半導体光増幅器において、活性層の側方位置でかつ光の伝搬方向に直交する方向に、一定波長で光を発振させるための回折格子を形成している。
【００１９】
このように構成された半導体光増幅器においては、光の伝搬方向に直交する方向に回折格子が形成されている。このような構成の半導体光増幅器において、この半導体光増幅器に供給する電流を増加していくと、この電流が一定のしきい値を超えると発光するが、一定波長λ０で共振して発振状態となる。このように発振状態になると、活性層内におけるキャリア濃度は、この光の発振を維持させるに必要な最小利得に対応する平衡値に保たれる。したがって、図１１に示した従来の利得クランプ型の半導体光増幅器と同様に、出射光強度の入射光強度に対する比で示される利得は広い光強度範囲で一定値を維持する。
【００２０】
この場合、一定波長λ０で発振する光の方向は、一方の端面から入射して増幅されて他方の端面から出射される光の伝搬方向に直交する方向である。したがって、一定波長λ０で発振する光が他方の端面から出射されることはない。
【００２１】
したがって、この半導体光増幅器の他方の端面から出射される光には、利得を一定値にクランプする目的で生成された一定波長λ０で発振する光の成分が含まれることはない。よって、他方の端面から出射される光には、一方の端面から入射して増幅された光、及び低い光強度レベルを有した自然放出の光のみが含まれるので、この出射した光から、利得を一定値にクランプする目的で生成された一定波長で発振する光の成分を除去する光フィルタ等の光学素子を別途準備する必要はない。
【００２２】
また、別の発明は、上述した発明の半導体光増幅器において、埋込層を複数層で構成し、かつ、少なくとも１層の埋込層をＩｎＧａＡｓＰで形成している。
【００２３】
このように、例えば、活性層の側方、すなわち格子が形成された方向に形成された複数層の埋込層のうちの１層の埋込層を光の屈折率が周囲の半導体基板やクラッド層より高いＩｎＧａＡｓＰで形成することにより、利得を一定値にクランプする目的で生成された一定波長λ０で発振する光をこの格子が形成された埋込層を含む一定領域内に閉じ込める効果を向上できる。
【００２４】
また、別の発明は、上述した発明の半導体光増幅器において、各端面と活性層との間に窓部を形成している。
このように各端面と活性層との間に窓部を形成することによって、半導体光増幅器内に大きな共振光が生じることが防止される。
【００２５】
また、別の発明は、上述した発明の半導体光増幅器において、活性層を各端面に対して傾斜して形成している。
このように活性層を各端面に対して傾斜させることによって、活性層の端面から出射され各端面で反射した光が再度活性層に入射されることが防止されるため、光共振を効果的に防止できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態を図面を用いて説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す斜視図であり、図２は図１に示す半導体光増幅器をＡ―Ａ’線で切断した水平断面図であり、図３は図１に示す半導体光増幅器をＢ―Ｂ’線で切断した横断面図である。
【００２７】
ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板２１の上面に、ｎ型ＩｎＰからなる第１のクラッド層２５ａ、ＩｎＧａＡｓＰからなる活性層２２、ｐ型ＩｎＰからなる第２のクラッド層２５ｂが形成されている。この第１のクラッド層２５ａ、活性層２２、第２のクラッド層２５ｂはメサ部を形成している。
【００２８】
メサ部の両側には、ｐ型ＩｎＰからなる下部埋込層２３が埋込形成され、この下部埋込層２３の上面にｎ型ＩｎＰからなる上部埋込層２４が埋込形成されている。この上部埋込層２４の上面と第２のクラッド層２５ｂの上面を共通に覆うｐ型ＩｎＰからなる第３のクラッド層２５ｃが形成されている。さらに、この第３のクラッド層２５ｃの上面にｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層２６が形成され、コンタクト層２６の上面にｐ電極２７が取付けられ、半導体基板２１の下面にｎ電極２８が取付けられている。
【００２９】
さらに、下部埋込層２３と上部埋込層２４との境界面には、光の伝搬方向である活性層２２の長尺方向と直交する方向に、回折格子２９が形成されている。この回折格子２９の格子間隔（ピッチ）は、活性層２２を含む光導波路内で増幅（発振）される光の波長λの波長スペクトラム範囲内に存在する一つの波長λ０に対応する長さに設定されている。
【００３０】
また、図１、図２に示すように、各端面３０ａ、３０ｂにはそれぞれ無反射コート３９ａ、３９ｂが施されている。
【００３１】
この半導体光増幅器の動作時においては、ｐ電極２７とｎ電極２８との間に直流電圧が印加されて、半導体素子内に直流電流Ｉが供給される。また、一方の端面３０ａに対して垂直に波長λＩ、入射光強度ＰＩを有する増幅すべき光３２が入射される。他方の端面３０ｂから、入射された光３２の増幅後の光成分を含む出射光強度ＰＯを有する光３３が出射される。
【００３２】
このような半導体光増幅器においては、供給する電流Ｉを増加していくと、一定のしきい値Ｉ０を超えると活性層２２内において発光するが、活性層２２の側方の下部埋込層２３と上部埋込層２４との境界面に形成された回折格子２９の格子間隔で定まる波長λ０で共振して発振状態となる。この波長λ０で発振する光３４の方向は、図２に示すように、活性層２２を含む光導波路内を伝搬する入射した光３２の伝搬方向に直交する回折格子２９の方向と一致する方向である。
【００３３】
このように発振状態になると、活性層２２を含む光導波路内におけるキャリア濃度は、図１１に示す従来の半導体光増幅器と同様に、この発振を維持させるに必要な最小利得に対応する平衡値に保たれる。これは、一定のしきい値を超えている限り、供給される電流Ｉが増減しても変化しない。また、入射光強度ＰＩが波長λ０の発振状態の光３４の光レベル（発振光強度）以下であれば、たとえ入射光強度ＰＩが変化したとしても、活性層２２を含む光導波路内におけるキャリア濃度は変化しない。
【００３４】
したがって、図４（ａ）の特性Ｅに示すように、供給される電流Ｉが前述したしきい値Ｉ０を超えると、利得Ｇはほぼ一定値を維持する。なお、図４（ａ）の特性Ｆは、回折格子２９を採用しない通常の半導体光増幅器の利得特性である。
【００３５】
さらに、図４（ｂ）に示すように、出射光強度ＰＯの入射光強度ＰＩに対する比で示される利得Ｇは広い光強度範囲で一定値を維持する。なお、図４（ｂ）の特性Ｄは、回折格子２９を採用しない通常の半導体光増幅器の利得特性である。
【００３６】
図５は、波長λＩを有する光３２を半導体光増幅器に入射した場合における出射される光３３の波長分布特性である。この波長分布特性にも示すように、出射される光３３には、波長λＩを有する入射された光３２の増幅後のスペクトル３５及び自然放出のスペクトル分布３６が含まれる。しかし、入射された光３２の伝搬方向に直交する方向に発振する波長λ０の光３４は端面３０ｂから出射されないので、この波長λ０の光３４の発振スペクトル３７は、出射される光３３に含まれない。
【００３７】
したがって、入射した光３２の伝搬方向の端面３０ｂから出力される光３３に、利得を一定値にクランプする目的で生成された一定波長λ０で発振する光３４の成分が含まれることはない。よって、この光成分を除去するための光フィルタ等の光学素子を出射側の端面３０ｂ近傍に別途設ける必要がない。
【００３８】
（第２実施形態）
図６は本発明の第２実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す水平断面図である。図２に示した第１実施形態の半導体光増幅器と同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明は省略する。なお、この第２実施形態の半導体光増幅器の横断面図は、図１に示す第１実施形態の半導体光増幅器の横断面図とほぼ同じであるので、説明を省略する。
【００３９】
この第２実施形態の半導体光増幅器においては、各端面３０ａ、３０ｂと活性層２２との間にはそれぞれ窓部３１ａ、３１ｂが設けられている。この窓部３１ａ、３１ｂ内には、下部埋込層２３と上部埋込層２４とが埋込まれている。
【００４０】
このように、各端面３０ａ、３０ｂと活性層２２との間にはそれぞれ窓部３１ａ、３１ｂを形成しているので、各端面３０ａ、３０ｂにおける光の反射率が低下すると共に、端面３０ａ、３０ｂ相互間で形成される共振器の共振波長と、活性層２２の両端間で形成される共振器の共振波長との値が異なり、半導体光増幅器内に大きな共振光が生じることが防止される。
【００４１】
（第３実施形態）
図７は本発明の第３実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す横断面図である。図３に示した第１実施形態の半導体光増幅器と同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明は省略する。なお、この第３実施形態の半導体光増幅器の斜視図及び水平断面図は、図１、図２に示す第１実施形態の半導体光増幅器の斜視図及び水平断面図とほぼ同じであるので、説明を省略する。
【００４２】
この第２実施形態の半導体光増幅器においては、活性層２２の両側に埋込形成され、境界面に回折格子２９が形成された下部埋込層２３ａと上部埋込層２４とのうち下部埋込層２３ａを４元層であるｐ型ＩｎＧａＡｓＰで形成している。
【００４３】
下部埋込層２３ａを、光の屈折率が周囲のｎ型ＩｎＰの半導体基板２１やｐ型ＩｎＰの第３のクラッド層２５ｃより高いｐ型ＩｎＧａＡｓＰで形成することにより、利得を一定値にクランプする目的で生成された一定波長λ０で発振する光３４をこの回折格子２９が形成された下部埋込層２３ａを含む一定領域内に閉じ込める効果を向上できる。
【００４４】
（第４実施形態）
図８は本発明の第４実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す横断面図である。図７に示した第３実施形態の半導体光増幅器と同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明は省略する。
【００４５】
この第４実施形態の半導体光増幅器においては、活性層２２の両側に埋込形成され、境界面に回折格子２９が形成された下部埋込層２３ａと上部埋込層２４ａとを共に４元層であるｐ型ＩｎＧａＡｓＰ、及びｎ型ＩｎＧａＡｓＰでそれぞれ形成している。
【００４６】
このように構成された第４実施形態の半導体光増幅器においても、第３実施形態の半導体光増幅器と同様に、利得を一定値にクランプする目的で生成された一定波長λ０で発振する光３４をこの回折格子２９が形成された下部埋込層２３ａを含む一定領域内に閉じ込める効果を向上できる。
【００４７】
（第５実施形態）
図９は本発明の第５実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す横断面図である。図７に示した第３実施形態の半導体光増幅器と同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明は省略する。
【００４８】
この第５実施形態の半導体光増幅器においては、活性層２２の両側に埋込形成活性層２２の両側に埋込形成され、回折格子２９が形成された下部埋込層２３ａと上部埋込層２４とのうち下部埋込層２３ａを４元層であるｐ型ＩｎＧａＡｓＰで形成している。さらに、回折格子２９がこの半導体光増幅器の上面に露出するように溝３８が形成されている。
【００４９】
この第５実施形態の半導体光増幅器の製造方法においては、下部埋込層２３ａ、上部埋込層２４、第３のクラッド層２５ｃ、コンタクト層２６、及びｐ電極２７を形成した後に、下部埋込層２３ａの上面まで届く深さの溝３８をエッチング加工し、その後、溝３８底の下部埋込層２３ａの上面に回折格子２９をエッチングにより形成する。
このように溝３８を形成することにより、後から回折格子２９を形成することが可能である。
【００５０】
（第６実施形態）
図１０は本発明の第６実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す水平断面図である。図２に示した第１実施形態の半導体光増幅器と同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明は省略する。
【００５１】
この第６実施形態の半導体光増幅器においては、活性層２２は光３２、３３が入出力される各端面３０ａ、３０ｂに対して傾斜して形成されている。そして、下部埋込層２３と上部埋込層２４との境界面に形成される回折格子２９は、傾斜した活性層２２の方向に対して直交する方向に形成されている。また、各端面３０ａ、３０ｂと活性層２２との間にはそれぞれ窓部３１ａ、３１ｂが設けられている。この窓部３１ａ、３１ｂ内には、下部埋込層２３と上部埋込層２４とが埋込まれている。
【００５２】
したがって、利得を一定値にクランプする目的で生成された一定波長λ０で発振する光３４の方向も、活性層２２の方向に対して直交する方向となる。また、端面３０ａに入射される光３２の入射角も、光３２が活性層２２の端面に直交するように、傾斜している。さらに、端面３０ｂから出射される光３３の出射角も傾斜している。
【００５３】
このように構成された第６実施形態の半導体光増幅器においても、利得を一定値にクランプする目的で生成された一定波長λ０で発振する光３４の方向も、活性層２２の方向に対して直交する方向となるので、この光３４が端面３０ｂから出射される光３３含まれることはない。よって、先の各実施形態の半導体光増幅器とほぼ同様の効果を有する。
【００５４】
さらに、この第６実施形態の半導体光増幅器においては、活性層２２は光３２、３３が入出力される各端面３０ａ、３０ｂに対して傾斜して形成されているので、活性層２２の端面から出射されて各端面３０ａ、３０ｂで反射した光が再度活性層２２に入射されることが防止される。すなわち、各端面３０ａ、３０ｂにおける光の反射率がさらに低下する。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体光増幅器においては、一定波長で発振させるための回折格子を光の伝搬方向に直交する方向に形成している。したがって、光の伝搬方向の端面から出力される光に、利得を一定値にクランプする目的で生成された一定波長で発振する光の成分が含まれることを防止でき、この光成分を除去するための光フィルタ等の光学素子を別途設ける必要がなく、簡単な構成で、利得を広い光強度範囲で一定値に維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す斜視図
【図２】図１に示す第１実施形態の半導体光増幅器をＡ―Ａ’線で切断した水平断面図
【図３】図１に示す第１実施形態の半導体光増幅器をＢ―Ｂ’線で切断した横断面図
【図４】同第１実施形態の半導体光増幅器における利得特性を示す図
【図５】同第１実施形態の半導体光増幅器における出力される光の波長特性を示す図
【図６】本発明の第２実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す水平断面図
【図７】本発明の第３実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す横断面図
【図８】本発明の第４実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す横断面図
【図９】本発明の第５実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す横断面図
【図１０】本発明の第６実施形態に係る半導体光増幅器の概略構成を示す水平断面図
【図１１】従来の半導体光増幅器の概略構成を示す縦断面図及び横断面図
【図１２】同従来の半導体光増幅器の特性を示す図
【符号の説明】
２１…半導体基板、２２…活性層、２３，２３ａ…下部埋込層、２４，２４ａ…上部埋込層、２５ａ…第１のクラッド層、２５ｂ…第２のクラッド層、２５ｃ…第２のクラッド層、２６…コンタクト層、２７…ｐ電極、２８…ｎ電極、２９…回折格子、３０ａ，３０ｂ…端面、３１ａ，３１ｂ…窓部、３２，３３，３４…光、３８…溝、３９ａ，３９ｂ…無反射コート
【図１】
2004253543.tif 000003
【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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