(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
広帯域光増幅器であって、
多重化光信号を受信してそれを第１の方向にスペクトル成分に分離するよう動作する第１の自由空間回折格子、及び
複数の隣接する特定波長利得領域を有する光利得手段を備え、前記回折格子及び光利得手段は、前記多重化光信号の各スペクトル成分が前記光利得手段の異なる特定波長利得領域に前記第１の方向に空間的にマッピングされ、各隣接する特定波長利得領域が、前記多重化光信号の対応するスペクトル成分に対して選択的な利得を与えるものである、広帯域光増幅器。
【請求項２】
請求項１の広帯域光増幅器において、前記回折格子が平面回折格子である、広帯域光増幅器。
【請求項３】
請求項１の広帯域光増幅器であって、さらに、前記多重化光信号を前記回折格子に伝搬する光ファイバを備えた広帯域光増幅器。
【請求項４】
請求項１の広帯域光増幅器であって、さらに、前記多重化光信号の各スペクトル成分を前記光利得手段の隣接する特定波長利得領域に焦点合わせする手段を備えた広帯域光増幅器。
【請求項５】
請求項１の広帯域光増幅器において、前記特定波長利得領域の各々の前縁が前記焦点合わせする手段のフーリエ平面に配置された広帯域光増幅器。
【請求項６】
請求項１の広帯域光増幅器であって、さらに、前記スペクトル成分が前記特定波長利得領域を１回通過する前に、前記多重光信号のスペクトル成分を前記自由空間回折格子に向けて反射するように動作する高反射ミラーを備えた広帯域光増幅器。
【請求項７】
請求項１の広帯域光増幅器であって、さらに、前記多重光信号のスペクトル成分を多重化するための第２の自由空間回折格子を備えた広帯域光増幅器。
【請求項８】
請求項１の広帯域光増幅器において、前記隣接する特定波長利得領域が半導体光増幅器からなる広帯域光増幅器。
【請求項９】
多重化光信号を増幅する方法であって、
前記多重化光信号をそのスペクトル成分に分離するステップであって、該スペクトル成分が光利得手段内の隣接する特定波長領域に一意的に空間的にマッピングされるように、分離するステップ、及び
各特定波長利得領域内で、前記多重化光信号を対応のスペクトル成分に利得を選択的に与えることによって増幅するステップ
を備える方法。
【請求項１０】
請求項９の方法であって、さらに、前記多重化光信号のスペクトル成分を自由空間で多重化するステップを備える方法。
【請求項１１】
請求項１０の方法であって、さらに、前記スペクトル成分が通過する第１の経路と一致する第２の経路に沿って、増幅された前記スペクトル成分を、それらが空間的にマッピングされた後であって増幅の前に反射するステップを備え、前記第２の経路が前記第１の経路に対して逆方向である、方法。
【請求項１２】
請求項１０の方法において、前記多重化するステップがさらに、前記増幅されたスペクトル成分を前記特定波長利得領域に通過させるステップを備える、方法。
【請求項１３】
請求項９の方法であって、さらに、前記多重化光信号の前記スペクトル成分を光学系に伝搬させて該スペクトル成分を該光学系のフーリエ平面に焦点合わせするステップを備える方法。
【請求項１４】
請求項９の方法において、前記増幅するステップがさらに、前記特定波長利得領域の各々に電流を印加するステップを含む方法。
【請求項１５】
請求項１４の方法において、前記増幅するステップがさらに、波長範囲にわたって平坦な利得プロファイルを与えるように前記特定波長利得領域の各々に印加する電流を調整するステップを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概して光通信ネットワークに関する。より詳細には、本発明は、非常に広い帯域幅を有する光増幅器と、それを組込んでいる光通信ネットワークと、に関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長分割多重（Wavelength-division-multiplexed（ＷＤＭ））光通信ネットワークは、１つの光ファイバ上で、ピーク波長が異なる多数の光信号の並列的な送信をサポートする。かかる信号の各々は、一般にチャネルと呼ばれるが、独立したデータストリームを表す。
【０００３】
図１は、従来技術における一般的なＷＤＭネットワーク１００の簡略化された略図を示す。当業者には、一般的なＷＤＭ光通信ネットワークが、図１に示されている以外に多くの他の要素を有することが明らかとなろう。本発明の理解に密接に関連のある要素に注意を集中させることができるように、これら他の要素は示されていない。
【０００４】
ＷＤＭネットワーク１００は、複数の送信機ＴＸ−１〜ＴＸ−ｎを含み、それら送信機の各々は、光信号λ−ｉ（ｉ＝１，ｎ）を生成する光源を含む。各光信号λ−ｉは、周知の方法で情報が変調される一意のピーク波長を有する。複数の光信号λ−１〜λ−ｎは、周知の方法で波長マルチプレクサ１０２によって結合され、１つの「多重化」信号ｍ−λになる。そして、多重化信号ｍ−λは、光ファイバ１０４に送出される。
【０００５】
ノード１０６および１０８は、ＷＤＭネットワーク１００と光通信し、多重化信号ｍ−λを受信するよう動作可能である。かかるノードは、各々が多重化信号ｍ−λによって伝送される情報の少なくとも一部を受信する受信機（図示せず）を有する、加入者端末（例えば、加入者端末１０６−Ｓ１および１０８−Ｓ１等）を備えている。
【０００６】
個々の加入者端末に必須の情報を提供するために、ノード１０６および１０８は、一般に、多重化信号ｍ−λの他のチャネルからかかる情報を伝送するチャネルを取出しまたは分離する手段を含む。ノードのサイズ（すなわち、加入者端末の数等）により、多重化信号ｍ−λから１つまたは複数の適当なチャネルを取出すために、デマルチプレクサ１１０等、アド・ドロップ（合流・分岐）フィルタ（図示せず）か、またはデマルチプレクサが適切に使用されることが可能である。そして、取出されたチャネルは、適当な加入者端末に渡される。
【０００７】
多重化信号ｍ−λは、ＷＤＭネットワーク１００を送信されるに従い減衰される。かかる減衰は、例えば、信号が導波路（例えば、光ファイバ１０４）を伝搬する際に、およびネットワークノードにおいてアド・ドロップフィルタ（図示せず）かまたはデマルチプレクサを通過する際に発生する損失による。信号減衰を補償するために、ＷＤＭネットワーク１００は、多重化信号ｍ−λに追加の利得を与えるインライン光増幅器１１２を含む。
【０００８】
ＷＤＭネットワーク用の光増幅器１１２は、一般に、ファイバ増幅器として実現される。ファイバ増幅器において、光ポンプは、増幅が誘導放射によって起こるより高位のエネルギレベルにドーピングイオンを励起する。ドーピングイオンは、エルビウム、プラセオジムおよびネオジム等の希土類元素である。ドーピングの代替法として、ラマン散乱を使用して増幅をもたらすことも可能である。ラマン散乱では、入射周波数のわずかな部分が他の周波数に変換される。その効果は、エネルギをポンプレーザから弱信号に変換するために使用することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
希土類ドープファイバ増幅器は、約８０ナノメータ（ｎｍ）の光帯域幅（１５〜３０ｄＢ利得で）を有し、ラマンファイバ増幅器は、約５０ｎｍの光帯域幅（１０〜１５ｄＢ利得で）を有する。かかる帯域幅は、システムによっては許容可能な場合があり、あるいは、いくつかのかかる増幅器を結合することにより、所望に応じて区分的に適切に広げられる場合もある。しかしながら、将来の光ネットワークにおいて必要となるような超広帯域な連続的利得は、目下、ファイバ増幅器によって得ることができない。
【００１０】
光増幅器を実現する他の方法は、注入されたキャリアからの誘導放射により利得が与えられる半導体増幅器としてのものある。しかしながら、半導体増幅器は、スペクトルホールバーニングおよび４波混合によってクロス信号変調をもたらすため、一般にＷＤＭシステムでは使用されない。これらの影響は、多重化信号を構成するスペクトル成分（すなわち、種々の波長の信号）を分離し、それらを異なる半導体増幅器に向けることによって、回避することができる。かかる分離は、ファイバ装置（例えば、導波路ルータ等）を使用する必要があった。かかる装置の使用により、信号減衰が増大し、システムコストが増大する。
【００１１】
従って、本技術分野では、超広帯域利得を提供するが従来技術の欠点を回避する増幅器から利益が得られよう。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
従来技術の欠点を回避する広帯域増幅器を備えた物品が開示されている。１つの実施の形態では、広帯域増幅器は、自由空間波長デマルチプレクサ／マルチプレクサと光利得手段とを備えている。
【００１３】
自由空間波長デマルチプレクサ／マルチプレクサは、多重化信号を受信しそれを逆多重化してその要素スペクトル成分にするよう動作可能である。各かかるスペクトル成分は、異なるピーク波長によって特徴付けられる。自由空間波長デマルチプレクサ／マルチプレクサは、有利には、グレーティングデマルチプレクサ／マルチプレクサとして実現される。１つの実施の形態では、グレーティングデマルチプレクサ／マルチプレクサは、視準／焦点光学系と平面回折格子とを含む構成によって具体化される。
【００１４】
光利得手段は、複数の「特定波長の（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｓｐｅｃｉｆｉｃ）」利得領域を備えている。本明細書は、「特定波長」という句は、個々の利得領域が特定の狭い範囲の波長に亙って利得を分配するよう動作可能であることを意味する。所定の利得領域は、有利には、他のすべての利得領域とは異なる波長範囲に亙って動作可能である。いくつかの実施の形態では、利得領域は、半導体光増幅器を備えている。
【００１５】
本発明のいくつかの実施の形態では、自由空間波長デマルチプレクサ／マルチプレクサは、各スペクトル成分を、その波長の関数として「対応する」特定波長の利得領域に伝達するよう動作可能である。本明細書において、「対応する」という語は、伝達されるスペクトル成分が、そのスペクトル成分を受信する利得領域の動作範囲によって帯域が決められるピーク波長によって特徴付けられる、ということを意味する。結果として、スペクトル成分が増幅される。スペクトル成分は物理的に別個であり、物理的に別々の利得領域で増幅されるため、従来技術による半導体光増幅器において一般に発生するクロス信号変調が回避される。
【００１６】
増幅後、スペクトル成分が再多重化される。いくつかの実施の形態では、これは、スペクトル成分を自由空間波長デマルチプレクサ／マルチプレクサに向かって反射させることにより達成される。かかる場合、増幅されたスペクトル成分が自由空間波長デマルチプレクサ／マルチプレクサを通過して通る経路は、増幅前にスペクトル成分が辿った経路の逆である。従って、逆パス中、自由空間波長デマルチプレクサ／マルチプレクサは、スペクトル成分を（再）多重化する。
【００１７】
他の実施の形態では、増幅されたスペクトル成分を自由空間波長デマルチプレクサ／マルチプレクサに対して反射するのではなく、第２の自由空間波長デマルチプレクサ／マルチプレクサに伝達する。第２の自由空間波長デマルチプレクサ／マルチプレクサは、スペクトル成分を（再）多重化し、結果としての多重化信号をＷＤＭネットワークを介して導波路へ戻るように送出するよう、動作可能である。両方の場合において、分配された利得を除いて、多重化信号の再構成されたバージョンは、元の増幅されていない多重化信号と同じである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図２は、本教示による広帯域増幅器２１２の例示的な実施の形態を示す。例示されている実施の形態において、増幅器２１２は、示されているような相互に関連する、自由空間波長デマルチプレクサ／マルチプレクサ２１４と光利得手段２２２と、を備えている。
【００１９】
自由空間波長デマルチプレクサ／マルチプレクサ２１４は、入力／出力導波路Ｆから多重化信号ｍ−λを受信するよう動作可能である。さらに、デマルチプレクサ／マルチプレクサ２１４は、受信した多重化信号を逆多重化して、その要素スペクトル成分λ−ｉ（ｉ＝１，ｎ）（例示されている実施の形態ではｎ＝４）にするよう動作可能であり、限定を意図するものではないが、上記入力/出力導波路Ｆは、シングルモード光ファイバであってもよい。各スペクトル成分λ−ｉは、異なるピーク波長によって特徴付けられる。
【００２０】
光利得手段２２２は、複数の「特定波長(wavelength-specfic)」の利得領域２２４i（ｉ＝１，ｎ）（例示されている実施の形態ではｎ＝４）を備えている。本明細書で使用されているように、「特定波長」という句は、個々の利得領域２２４iが、特定ピーク波長を有する光信号に対し（特に、その特定ピーク波長の帯域を決める狭い範囲の波長に対し）利得を分配するよう動作可能である、という事実を言う。
【００２１】
４つの例示的なスペクトル成分λ−１〜λ−４の各々が異なるピーク波長によって特徴付けられているため、４つの利得領域２２４1〜２２４4の各々は、ピーク波長の１つを包含する異なる狭帯域の波長に亙って利得を分配するよう、有利に動作可能である。本発明のいくつかの実施の形態において、自由空間波長デマルチプレクサ／マルチプレクサ２１４は、各スペクトル成分λ−ｉを、その波長の関数として、対応する特定波長の利得領域２２４iに伝達するよう動作可能である。結果として、スペクトル成分λ−１〜λ−４は、光利得手段２２２の各領域２２４1〜２２４4において増幅される。
【００２２】
図２の例示的な実施の形態において、多重化信号ｍ−λを構成する４つのスペクトル成分を増幅するために望ましいものとして、４つの利得領域が示されている。しかしながら、他の実施の形態では、光利得手段２２２は、より多くの数の光信号を増幅するために望ましいものとして、５つ以上の特定波長の利得領域２２４iを備える、ということは理解されるべきである。利得領域（各々、異なる範囲の波長に亙って動作可能）の数が増大することにより、増幅器２１２の帯域幅が増大する、ということは理解されなければならない。光利得手段２２２および利得領域２２４iは、本明細書において後により詳細に説明する。
【００２３】
光利得手段２２２の前縁は、信号結合効率を向上させるために、本技術分野において周知の反射防止コーティング２２６を備えている。また、いくつかの実施の形態では、光利得手段２２２の後縁は、高反射（ＨＲ）ミラー２２８を含む。ＨＲミラー２２８は、自由空間波長デマルチプレクサ／マルチプレクサ２１４に向かって増幅されたスペクトル成分λ−１〜λ−４を反射する。反射防止コーディングおよびＨＲミラーを形成することは、当業者の能力の範囲内である。
【００２４】
周知のように、デマルチプレクサを通る信号伝搬（方向）が逆転されると、デマルチプレクサは、信号を多重化するよう動作可能である。すなわち、デマルチプレクサは、マルチプレクサになる。従って、増幅されたスペクトル成分λ−１〜λ−４は、自由空間波長デマルチプレクサ／マルチプレクサ２１４を通して入力／出力導波路Ｆに向かって伝搬する際に、再多重化される。利得が分配されていることを除き、多重化信号ｍ−λの再構成されたバージョンは、元の多重化信号と同じである。
【００２５】
例示されている実施の形態において、自由空間波長デマルチプレクサ／マルチプレクサ２１４は、グレーティングデマルチプレクサ／マルチプレクサとして実現されている。図３に示す実施の形態において、広帯域増幅器は、視準／焦点光学系３１６および平面回折格子３１８によって具体化されるグレーティングデマルチプレクサ／マルチプレクサを含む。それらの動作は、後述する。当業者は、自由空間波長デマルチプレクサ／マルチプレクサ２１４が、グレーティングデマルチプレクサ／マルチプレクサ以外の方法で実現されてもよいということ、およびグレーティングデマルチプレクサが、視準／焦点光学系および平面回折格子としてではない方法で実現されてもよい、ということを理解するであろう。かかる他の実現は、本発明の他の実施の形態において適切に採用されてよい。
【００２６】
図３に示すように、多重化信号ｍ−λは、入力／出力ファイバＦを介して視準／焦点光学系３１６に伝達される。多重化信号ｍ−λは、限定無しに、屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズ、ボールレンズおよび成形レンズ（例えば、射出成形レンズ）とすることができる、光学系３１６によって、視準される。１つの実施の形態では、光学系３１６は、光信号を実質的に視準する最短長のＧＲＩＮレンズとして知られる、クオータ（１／４）ピッチＧＲＩＮレンズである。
【００２７】
視準された多重化信号ｍ−λは、光を反射する光学面である回折格子３１８によって受信される。回折格子３１８の表面は、入射光を回折するよう動作可能な多数の溝３２０を備えている。周知のように、回折格子３１８は、光の波長に関連する方向に光を回折する特性を有している。このため、複数の波長を有する入射ビーム（例えば、多重化信号ｍ−λ）が回折格子３１８から回折されると、その種々のスペクトル成分（例えば、λ−１〜λ−４）は、角度的に（空間的に）分離される。当業者は、回折次数角、散乱、回折格子分解能等のパラメータを決定する周知の関連を用いて、回折格子３１８を設計し製造することができる。J.P.LaudeによるWavelength Division Multiplexing,Prentice Hall International Series in Optoelectronics,1993,pp.37-52を参照のこと。
【００２８】
光学系３１６により、空間的に分離された多重化信号ｍ−λのスペクトル成分λ−１〜λ−４が受信される。スペクトル成分λ−１〜λ−４は、回折格子３１８から回折される時視準されたままであるため、光学系３１６によりフーリエ面ＦＰに配置された面（すなわち、レンズの後焦点面）上に焦点合せされる。数学的処理については、GoodmanによるIntroduction to Physical Optics,Chapter 5の「Fourier Transforming and Imaging Properties of Lenses」（McGraw-Hill,1968）を参照のこと。スペクトル成分は空間的に互いから分離されているため、各スペクトル成分λ−１〜λ−４はフーリエ面ＦＰにおける異なる位置の点に焦点合せされる。すなわち、各スペクトル成分λ−ｉに対する焦点の位置は、他のスペクトル成分に対して横方向にシフトされている。
【００２９】
図２および図３に示す実施の形態において、光利得手段２２２への入力および出力は、有利にはフーリエ面ＦＰに配置されている。さらに、種々の特定波長の利得領域２２４iは、種々のスペクトル成分λ−ｉの焦点（フーリエ面ＦＰにおける）の位置に位置合せされている。さらに、各利得領域２２４iは、その動作範囲内にあるピーク波長を有するスペクトル成分λ−ｉを受信するよう配置されている。従って、自由空間波長デマルチプレクサ／マルチプレクサ２１４の動作により、各利得領域２２４iは、高結合効率で、その動作可能性の範囲内にある波長を有するスペクトル成分λ−ｉを受信する。
【００３０】
図２および図３に示す広帯域増幅器２１２は、反射モードで動作し、その場合、ＨＲミラー２２８により、スペクトル成分が増幅の前および後の両方において同じ要素を通して同じ経路（ただし反対方向）を横切る。本教示による他の実施の形態では、図４に示すように、広帯域増幅器４１２は透過モードで動作する。
【００３１】
図４に示す広帯域増幅器４１２は、第１の自由空間波長デマルチプレクサ／マルチプレクサ４１４Ａ、光利得手段４２２および第２の自由空間波長デマルチプレクサ／マルチプレクサ４１４Ｂを備えている。第１のデマルチプレクサ／マルチプレクサ４１４Ａは、入力導波路ＩＷから受信する多重化信号ｍ−λを逆多重化し、増幅器２１２に関して上述した方法でスペクトル成分λ−ｉ（ｉ＝１，ｎ）を光利得手段４２２に伝達する。光利得手段４２２の各光利得領域４２４iの後縁にはＨＲミラーが無く、そのため、スペクトル成分はそこから第２のデマルチプレクサ／マルチプレクサ４１４Ｂに進む。いくつかの実施の形態では、光利得領域４２４iの後縁に、第２の反射防止コーティング４２８が配置されている。第２のデマルチプレクサ／マルチプレクサ４２４Ｂは、スペクトル成分を（再）多重化して１つの多重化信号にし、それを出力導波路ＯＷに結合する。
【００３２】
従って、例示的な広帯域増幅器４１２の第１のデマルチプレクサ／マルチプレクサ４１４Ａおよび第２のデマルチプレクサ／マルチプレクサ４１４Ｂは、増幅器２１２のデマルチプレクサ／マルチプレクサ２１４のような「２つの役割」を実行しない。特に、増幅器４１２の第１のデマルチプレクサ／マルチプレクサ４１４Ａは、多重化信号ｍ−λを逆多重化し、増幅器４１２の第２のデマルチプレクサ／マルチプレクサ４１４Ｂは、スペクトル成分λ−ｉ（ｉ＝１，ｎ）を多重化する。しかしながら、少なくともいくつかの実施の形態において、第１のデマルチプレクサ／マルチプレクサ４１４Ａは、多重化することができ、第２のデマルチプレクサ／マルチプレクサ４１４Ｂは、逆多重化することができる、ということは理解されるべきである。信号はかかる構成要素を通して前方向パスしか行わないため、この交替の機能は実行されない。
【００３３】
第１および第２の自由空間波長デマルチプレクサ／マルチプレクサ４１４は、増幅器２１２の自由空間波長デマルチプレクサ／マルチプレクサ２１４のように（例えば、グレーティングデマルチプレクサ／マルチプレクサとして）適切に実現されてよい。
【００３４】
例示的な広帯域増幅器２１２および４１２の予測される性能を、図５に示す。これは、ｄＢによる信号利得対波長のプロットＳＧを示している。図５に示すように、広範囲の波長に亙って、実質的に一様な利得が得られる。光増幅器は、一般に、外部刺激（例えば、電流注入等）によって駆動される。各利得領域２２４iの利得プロファイルは他のすべての利得領域２２４iの利得プロファイルと異なるため、各利得領域に対する外部刺激は、図５に示す平坦な応答を提供するよう適切に調整されなければならない（「試行錯誤」により）。
【００３５】
いくつかの実施の形態において、各利得領域２２４iは、半導体光増幅器を備えている。半導体光増幅器において、増幅は、電子遷移によって調停される。より詳細には、外部刺激、一般には電流注入のもと、電子遷移は、誘導（または自発）放射により光子を生成する。誘導放射は、半導体を伝搬する光子が電子を刺激して遷移させ、第１の光子と同じ第２の光子を放射させる時に発生する。１つの生成された光子は、大量のクローンを発生させることができ、それにより、半導体物質を伝搬する光フィールド（すなわち、光フィールドに対する分配利得）の強度が増大する。
【００３６】
放射された光子の波長は、半導体増幅器の（ピーク）「放射波長」と呼ばれる。利得は、ピーク放射波長の周りの狭い範囲に亙って光信号に分配される。放射波長は、半導体物質中に発生する主要な光遷移によって決定される。バルク半導体において、主要な遷移は、伝導帯から価電子帯への遷移である。最低の伝導帯と最低の価電子帯との間のエネルギの差は、半導体物質の「エネルギバンドギャップ」または単に「バンドギャップ」として知られている。
【００３７】
量子井戸について、放射波長はバンドギャップの関数であり、また「量子閉じ込めエネルギ」と呼ばれるエネルギ貢献の関数である。量子閉じ込めエネルギは、２つの量子井戸サブバンド間の遷移に対するエネルギ差の基準である。量子閉じ込めエネルギは、量子井戸幅の関数である。バルク半導体増幅器に対し、放射波長のより正確な同調が量子井戸増幅器により可能である。
【００３８】
そのため、いくつかの実施の形態において、各利得領域２２４iは、一意のエネルギギャップによって特徴付けられる。結果として、所定の利得領域２２４iは、他のすべての利得領域とは異なるピーク放射波長を有する光子を放射する。この動作モードを、図６に絵式で示す。この図は、各利得領域２２４1〜２２４4を備える半導体物質のエネルギギャップＥＧ−１〜ＥＧ−４特性を示す。
【００３９】
各利得領域２２４iは、狭帯域の波長ＷＲ−ｉ（例えば、約１０〜３０ナノメータ）に亙る、許容できるレベルの利得（例えば、少なくとも１５ｄＢ）を提供する。例えば、利得領域２２４1は、範囲ＷＲ−１の波長に対する許容できるレベルの利得を提供する、等である。スペクトル成分λ−ｉが利得領域２２４1の動作範囲内に入る程度まで、利得領域は、その特定のスペクトル成分を増幅する。例えば、スペクトル成分λ−１の波長が範囲ＷＲ−１内に入ることにより、スペクトル成分λ−１が利得領域２２４1によって増幅されるようになる。
【００４０】
利得手段２２２は、種々の方法のいずれかの方法によって形成することができる。例えば、１つの実施の形態では、利得手段２２２は、各々が１つまたは複数の利得領域として機能する別個の半導体増幅器チップのアレイを備える。他の実施の形態では、利得手段２２２は、１チップ上に形成される。
【００４１】
チップは、バルク半導体物質または量子井戸物質のいずれかを使用し、周知の方法で（例えば、分子線エピタキシャル成長法、有機金属気相成長法等を使用して）形成される、光増幅器と周知の構造の導波路とを備えている。例えば、H.P.Zappeによる「Introduction to Semiconductor Integrated Optics」（Artech House,Inc.,1995,Chapters 8,9）を参照のこと。
【００４２】
各利得領域は、受信信号に利得を分配するために適当な放射波長を有する半導体物質からなる。その半導体は、一般に、ＩＩＩ−Ｖ族合金である。例えば、通信波長（例えば、１３００および１５５０ナノメータ等）で信号を増幅するために、有利には４元合金Ｉｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-y（ＩｎＰ上に成長）が使用される。
【００４３】
ＩＩＩ−Ｖ族合金の組成を変更することにより、そのエネルギギャップおよび屈折率が変化する。従って、基板上に堆積されるＩＩＩ−Ｖ族合金の組成を局部的に変更することにより、１つの領域を光増幅に使用し、他の領域を導波領域に使用することができる。さらに、それぞれ異なるエネルギギャップ、そのため異なる放射波長によって特徴付けられた複数の光増幅器を、１つの基板に形成することができる。
【００４４】
図７は、以下のように示すいくつかの重要なＩＩＩ−Ｖ族３元および４元物質に対する放射波長範囲のプロットを示す。
合金番号          合金
７０２          Ｉｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-y
７０４          ＧａＡｓxＳｂ1-x
７０６          ＩｎＡｓxＰ1-x
７０８          （ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＡｓ
７１０          ＡｌxＧａ1-xＡｓ
７１２          ＧａＡｓ1-xＰx
７１４          ＩｎxＧａ1-xＡｓ
７１６          （ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ
【００４５】
図８は、２元、３元および４元ＩＩＩ−Ｖ族合金組成のより完全なプロットと、かかる組成に対するエネルギギャップ、光子定数および放射波長と、を示す。領域Ｉは、４元合金ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-yを表し、領域ＩＩは、４元合金ＧａxＩｎ1-xＡｓyＳｂ1-yを表す。
【００４６】
図７および図８に示すもの等の情報および他の容易に利用可能な基準を用いて、本発明と共に使用する利得および導波領域を形成するために適当な組成のＩＩＩ−Ｖ族合金を適切に選択することは、当業者の能力の範囲内にある。上述した、H.P.ZappeによるChapter 4を参照のこと。また、SwaminathanおよびMacranderによる「Materials Aspects of GaAs and InP Based Structures」（Prentice Hall,1991,Chapter 1）もまた参照のこと。
【００４７】
「エッチングおよび再生（etch and regrow）」方法により、種々の利得領域および導波領域を形成することができる。かかる方法において、第１のエネルギギャップを有する第１の利得領域を形成するために必要なエピタキシャル層が、基板全体に亙って形成される。成長に使用される条件（例えば、温度、圧力および原料物質）は、堆積される物質が必須の特徴を有しているように選択される。そして、第１の利得領域が形成されるべき層がマスクされ、マスクされていない領域がエッチングで取除かれる。エッチング後、第２の利得領域、または導波領域に対応する層は、適当に成長する。プロセスは、所望の光子の作用を完成するために適した構成を形成する必要に応じて、「エッチング」と「再生」とが繰返される。
【００４８】
いくつかの実施の形態では、「選択成長」または「選択領域エピタキシ」と呼ばれる方法を使用して、種々の利得領域２２４iおよび導波領域が有利に形成される。選択領域エピタキシを使用することにより、「エッチングおよび再生」の複数の成長ステップとは対照的に、１つの成長ステップにより、同じ平面で半導体物質のエネルギギャップを変更することができる。従って、種々の利得領域２２４1〜２２４4を規定する層を同時に成長させることができる。
【００４９】
選択領域エピタキシにより物質を成長させるために、一般に誘電体（例えば、酸化珪素、窒化珪素等）からなる「マスキング」層が基板上に堆積される。マスキング層は、間隔が空けられたストリップまたはマスクにパターン化される。インジウム、ガリウム、砒素および燐等のエピタキシャル層を形成するための原料物質は、一般に、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）方法によって供給される。
【００５０】
気相から与えられる原料物質は、マスクが開かれている（すなわち、基板が覆われていない）領域にエピタキシャルに成長する。マスク自体に載る原料物質は、容易には凝集しない。適当な温度およびマスク幅が与えられることにより、マスク上に載る原料物質の大半が再び気相および拡散状態になり、局部的な濃度の傾きによりマスクされていない領域に載る。
【００５１】
完全にマスクされていない基板と比較して、ＩｎＧａＡｓエピ層およびＩｎＧａＡｓＰエピ層の両方に対してギャップにおいて発生する量子井戸成長は、より厚くかつインジウムが多くなる。この効果は、一般的なＭＯＶＰＥ成長条件の元でのインジウムおよびガリウムの相対的拡散係数による。量子井戸層が厚くなると、波長がより長い（エネルギギャップが低い）量子井戸物質となる量子閉じ込めシュタルク効果に変化が発生する。従って、量子サイズ効果と合金組成の変化との両方から、ギャップにおける量子井戸は、マスクから遠い領域より低いエネルギギャップにシフトされる。ギャップ（幅）に対するマスク幅の割合を変更することにより、量子井戸物質の組成、そのためそのエネルギギャップを変更することができる。
【００５２】
従って、利得手段２２２を形成するために、マスキング層が堆積され、複数のマスクＭ−ｉにパターン化される。それらマスクのうちの８つのＭ−１〜Ｍ−８を、図９に示す。ギャップＧ−１で分離されたマスクＭ−１およびＭ−２は、マスクペアＭＰ−１を規定し、ギャップＧ−２で分離されたマスクＭ−３およびＭ−４は、マスクペアＭＰ−２を規定する。ギャップＧ−３によって分離されたマスクＭ−５およびＭ−６は、マスクペアＭＰ−３を規定し、ギャップＧ−４によって分離されたマスクＭ−７およびＭ−８は、マスクペアＭＰ−４を規定する。ギャップＧ−１〜Ｇ−４において成長する量子井戸物質は、利得領域２２４1〜２２４4を形成する。
【００５３】
各マスクペアを規定するマスクは、幅ＭＷ−ｊによって特徴付けられている。マスク幅ＭＷ−ｊは、以下のように増大する。すなわち、ＭＷ−１＜ＭＷ−２＜ＭＷ−３＜ＭＷ−４である。マスク幅ＭＷ−ｊが増大するに従い、ギャップにおける量子井戸成長率も増大する。成長率が比較的増大している領域は、比較的厚い量子井戸を示す。この現象を、図１０に示す。ここでは、ＱＷ−１＜ＱＷ−２＜ＱＷ−３＜ＱＷ−４である。上述したように、比較的厚い量子井戸は、比較的長い放射波長によって特徴付けられる。このように、各々が、他のすべての利得領域の放射波長と異なる特定の放射波長を有している、複数の利得領域２２４1〜２２４4が形成される。説明を明確にするために、ギャップＧ−１〜Ｇ−４の各々において成長する物質において、量子井戸が１つだけ示されている。当業者は、例示的な通信アプリケーション（すなわち、ＷＤＭネットワーク）に対し、利得領域は一般に約３〜約１０の量子井戸を備えるということを理解するであろう。
【００５４】
上述したように、隣接するスペクトルチャネルは、自由空間波長デマルチプレクサ／マルチプレクサ２１４の作用により、利得手段２２２において物理的に分離される。このため、隣接する利得領域２２４iおよび２２４i+1の間の領域は、逆多重化されたスペクトル成分の１つを受信しない。従って、かかる領域は、スペクトル成分λ−ｉに対して有利に光学的に不透明である。これは、適当にマスク幅を調整することによるか、または条件により周知の方法でマスクされていないかかる領域を残すことによって、達成されてよい。
【００５５】
当業者が認めるであろうように、利得領域２２４iの真下にガイド層（図示せず）を堆積させることは有利である。かかるガイド層は、垂直方向に導波路を提供する。従って、いくつかの実施の形態では、インジウム−ガリウム−砒化物−燐化物等、ＩＩＩ−Ｖ族合金のガイド層が、マスキング層が堆積される前に基板上に適切に堆積される。ガイド層は、例えばＭＯＶＰＥを用いて堆積される。ガイド層として使用するために、適当な厚さおよび屈折率のバルク均質層もまた適している。
【００５６】
ガイド層の上部には、追加の層が有利に堆積されている。かかる層は、導波路のモード制約要素を決定づける。追加の層は、案内層より低い屈折率を有していればいかなる合金組成であってもよい。１つの実施の形態では、追加の層はドープされていない燐化インジウムからなる。
【００５７】
当業者は、上述したように選択領域エピタキシにより利得手段２２２を製造することができるであろう。米国特許第５，４１８，１８３号、Joyner等による「Extremely Large Band Gap Shifts for MQW Structures by Selective Epitaxyon SiO2 Masked Substrates」(IEEE Phot.Tech.Letts.4(9),(Sept.1992),pp.1007-1009、Eckel等による「Improved Composition Homogeneity During Selective Area Epitaxy of GaInAs Using a Novel In Precursor」（Appl.Phys.Letts.,64(7),(Feb.1994),pp.8564-856）、Kato等による「DFB-LD/Modulator Integrated Light Source by BandGap Energy Controlled Selective MOVPE」（Elect.Letts.,28(2),(Jan.1992),pp.153-154、Thrush等による「Selective and Non-Planar Epitaxy of Inp,GaInAs and GaInAsP Using Low Pressure MOCVD」（J.Cryst.Growth,v.124,(1992),pp.249-254、Zimgibl等による「Digitally Tunable Laser Based on the Integration of a Waveguide Grating Multiplexer and an Optical Amplifier」（IEEE Phot.Tech.Lettes.,4（6),(Apr.1994),p.516-518)を参照のこと。
【００５８】
更なる実施の形態では、選択領域エピタキシ法の代替法として、異なる放射波長を有する複数の利得領域を提供するために量子井戸混合物が使用される。量子井戸混合物は、成長後の量子井戸の制御された相互拡散により、放射波長の選択的シフトを提供する。この技術はまた、「構造的不規則化（compositional disordering）」とも呼ばれる。上に引用したH.P.Zappeのpp.332-334を参照のこと。
【００５９】
本教示による改良された光通信ネットワークは、適宜、「広帯域」前置増幅器、「広帯域」インライン増幅器および「広帯域」後置増幅器を適切に含んでもよい。かかる「広帯域」増幅器はすべて、本明細書で述べられている本発明の例示的な実施の形態に従って構成される。
【００６０】
上述した実施の形態は単に本発明の例示であって、本発明の範囲からおよび本明細書に開示されている原理から逸脱することなく、当業者により多くの変形が考案され得る、ということは理解されなければならない。従って、かかる変形は、特許請求の範囲およびそれらの等価物の範囲内に含まれることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来からのＷＤＭネットワークを示す。
【図２】本教示による広帯域光増幅器の第１の例示的な実施の形態を示す。
【図３】図２の広帯域光増幅器における自由空間波長デマルチプレクサ／マルチプレクサの例示的な実施の形態を示す。
【図４】本教示による広帯域光増幅器の第２の例示的な実施の形態を示す。
【図５】本広帯域光増幅器の予測された性能を示す。
【図６】放射波長に対するエネルギギャップのプロットにより、本発明と共に使用される利得領域の動作を示す。
【図７】いくつかの重要な３元および４元ＩＩＩ−Ｖ族合金に対する放射波長を示す。
【図８】２元、３元および４元ＩＩＩ−Ｖ族合金に対する格子定数、エネルギギャップおよび放射波長を示す。
【図９】選択領域エピタキシにより利得領域を生成するためのマスク配置を示す。
【図１０】図９のマスク間のギャップにおける量子井戸物質の成長を示す。
【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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