(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一モードの光を導波させる単一モード導波路からなる入力導波路および出力導波路と、
前記入力導波路と前記出力導波路との間に光学的に結合するように配置され、複数モードの光を導波させるとともに、少なくとも一部に利得媒質を含むように構成された多モード導波路と、
前記多モード導波路から延伸された利得媒質に形成され、前記多モード導波路に入射された光の伝搬方向と交差する方向に光を反射させる回折格子とを備え、
前記入力導波路および前記出力導波路ならびに前記多モード導波路は導波路中心軸が互いに一致するように同一基板上に並べて配置され、前記回折格子は前記多モード導波路の両脇のみに対向配置されるとともに、前記多モード導波路の幅および長さは自己結合効果を起こすように設定されていることを特徴とする光増幅素子。
【請求項２】
単一モードの光を導波させる単一モード導波路からなる入力導波路および出力導波路と、
前記入力導波路と前記出力導波路との間に光学的に結合するように配置され、複数モードの光を導波させるとともに、少なくとも一部に第１の利得媒質を含むように構成された多モード導波路と、
前記第１の利得媒質と分離された第２の利得媒質に形成され、前記多モード導波路に入射された光の伝搬方向と交差する方向に光を反射させる回折格子とを備え、
前記入力導波路および前記出力導波路ならびに前記多モード導波路は導波路中心軸が互いに一致するように同一基板上に並べて配置され、前記回折格子は前記多モード導波路の両脇のみに対向配置されるとともに、前記多モード導波路の幅および長さは自己結合効果を起こすように設定されていることを特徴とする光増幅素子。
【請求項３】
前記多モード導波路に電流を注入する第１電極と、
前記多モード導波路と独立して前記回折格子に電流を注入する第２電極とをさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の光増幅素子。
【請求項４】
前記多モード導波路と前記回折格子の少なくとも一部とを分離する電流ブロック層または分離溝をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の光増幅素子。
【請求項５】
前記回折格子の結合係数が１００ｃｍ−１以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の光増幅素子。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光増幅素子に関し、特に、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）を利用した光伝送システムに適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の異なる波長の光信号を伝送する光伝送システムとして、複数の異なる波長の光信号を１本の光ファイバに結合して伝送する波長多重を利用した光伝送システム（ＷＤＭシステム）がある。
このＷＤＭシステムでは、波長に応じて光信号を合流・分岐するＷＤＭ合分波回路、全ての波長の光を一括して合流・分岐する合分岐回路、特定の波長を抜き出し、あるいは挿入するアドドロップマルチプレクサ（Ａｄｄ−ｄｒｏｐ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ、ＡＤＭ）等の光素子が使用され、光信号がこれらの光素子を通過する際に生じる強度損失のため、信号強度が劣化する。
【０００３】
このため、ＷＤＭシステムでは、光ファイバを伝送する光信号を光のまま増幅する光増幅素子が必要不可欠となっている。
図７は、従来の光増幅素子の構成を示す断面図である。この図７の構成は、従来の光増幅素子（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＳＯＡ）の例として、ｎ−ＩｎＰ基板１０１を用いた場合の構造を示す（非特許文献１）。なお、図７（ａ）は、従来の光増幅素子を光導波方向に沿って切断した断面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ´線で切断した断面図を示す。
【０００４】
図７において、利得媒質であるＧａＩｎＡｓＰ活性層１０２がストライプ状にｎ−ＩｎＰ基板１０１上に形成され、ｐ−ＩｎＰ層１０３およびｎ−ＩｎＰ層１０４により埋め込まれている。
そして、ＧａＩｎＡｓＰ活性層１０２およびｎ−ＩｎＰ層１０４上には、ｐ−ＩｎＰ層１０５が形成され、さらにｐ−ＩｎＰ層１０５上にはｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１０６が形成されている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１０６上にはｐ側電極１０７が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板１０１の裏面にはｎ側電極１０８が形成されている。
【０００５】
図８は、図７の光増幅素子の飽和特性を示す図である。
図８において、入力光強度が小さい場合、入力光強度が増加しても利得はほぼ一定であるが、入力光強度がある値を超えると、利得は急激に減少する。ＷＤＭシステムでは、光信号として波長多重信号が入射される。入射される波長多重数は、アドドロップマルチプレクサ等を通過する毎に変動するため、飽和特性のために利得が変化することが問題となる。
【０００６】
今、波長多重数ｍの光信号が光増幅素子に入射したとものする。この場合、光増幅素子の入射光強度がｍ波合計でＰ1（ｄＢｍ）になると、光増幅素子の利得はＧ1（ｄＢｍ）になる。ここで、アドドロップマルチプレクサにより光信号が追加されて、波長多重数がｎに増加したとする。この場合、光増幅素子の入射光強度がｎ波合計でＰ2（ｄＢｍ）になると、光増幅素子の利得はＧ2（ｄＢ）になる。
【０００７】
このように、図７の光増幅素子をＷＤＭシステムに用いた場合、波長多重数により入射光強度が異なるようになるため、光信号の利得が変動する。このため、従来の光増幅器では、特許文献１に開示されているように、波長多重数により光信号の利得が変動することを防止するため、発振作用を利用することで利得をある一定値にクランプする方法が用いられていた。
【０００８】
図９（ａ）は、従来の光増幅素子を光導波方向に沿って切断した断面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＣ−Ｃ´線で切断した断面図である。
図９において、ｎ−ＩｎＰ基板２０１上には、利得媒質であるＧａＩｎＡｓＰ活性層２０２がストライプ状に形成され、ＧａＩｎＡｓＰ活性層２０２は、ｐ−ＩｎＰ層２０３およびｎ−ＩｎＰ層２０４により埋め込まれている。
【０００９】
ここで、ＧａＩｎＡｓＰ活性層２０２の下面には、ＧａＩｎＡｓＰ分離閉じ込め（ＳＣＨ）層２０９が形成されるとともに、ＧａＩｎＡｓＰ活性層２０２の上面には、ＧａＩｎＡｓＰ分離閉じ込め（ＳＣＨ）層２１０が形成され、ＧａＩｎＡｓＰ分離閉じ込め層２１０にはグレーティングが形成されている。そして、ＧａＩｎＡｓＰ分離閉じ込め層２１０およびｎ−ＩｎＰ層２０４上には、ｐ−ＩｎＰ層２０５が形成され、ｐ−ＩｎＰ層２０５上にはｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２０６が形成されている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２０６上にはｐ側電極２０７が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板２０１の裏面にはｎ側電極２０８が形成されている。
【００１０】
図９の光増幅素子では、ＧａＩｎＡｓＰ分離閉じ込め層２１０に形成されているグレーティングにより伝播光が反射されるため正帰還がかかり、ＤＦＢレーザのように発振させることができる。ただし、グレーティングの結合係数は通常のＤＦＢレーザよりも小さくなっており、発振しきい値は高くなっている。
図９の光増幅素子のレーザ発振状態では、利得媒質でのキャリア密度は一定値にクランプされるが、発振しきい値が高いため、キャリア密度は通常のＤＦＢレーザよりも高い値にクランプされる。
【００１１】
このため、図８のグレーティングを有するＤＦＢ型光増幅素子では、発振が生じている限り、その利得媒質（ＧａＩｎＡｓＰ活性層２０２）のキャリア密度は一定となる。そして、利得は利得媒質のキャリア密度に比例するため、利得を一定値にクランプさせることができる。
従って、上述した発振状態では、光増幅素子に注入する電流値を増加させても、発振光の光強度が増大するだけで、光増幅素子の利得を一定に保つことができる。そして、入力信号光強度が大きくなった場合、発振光強度が減少して、光増幅素子内部でのトータルの光強度が一定に保たれるため、光増幅素子のキャリア密度に変動が生じることがなく、光増幅素子の利得を一定に保つことができる。
【００１２】
図１０は、図９の光増幅素子の飽和特性を示す図である。
図１０において、図９の光増幅素子では、外部から入射された信号光の入力光強度が変動しても、利得は一定値Ｇｏに保たれる。すなわち、信号光の波長多重数がｍからｎに変化し、合計の入力光強度がＰ1からＰ2に変化した場合においても、利得はＧｏで一定値となる。
また、図９の光増幅素子では、外部から入射する入力光強度がさらに増大し、発振が抑圧された場合に限り、利得が低下する。逆に、図９の光増幅素子で発振が生じている限り、入射する入力光強度あるいは入射信号の波長多重数によらず、利得を一定に保つことができる。
【００１３】
また、特許文献２には、偏光に依存しない利得特性を得るとともに、飽和入力光強度レベルおよび飽和利得特性を向上させるために、マルチモード導波路領域の両端に単一モード導波路領域が結合された半導体光アンプが開示されている。
また、非特許文献２には、外部から入射された信号光の入力光強度が変動しても、利得が一定値に保たれるようにするために、信号光の伝播方向と直交する方向に発振光を励起させるための反射器を設ける方法が開示されている。
【特許文献１】特開平７−１０６７１４号公報
【特許文献２】特開平１１−６８２４０号公報
【非特許文献１】Ｋ．Ｍｏｒｉｔｏ他、“Ｈｉｇｈ−Ｏｕｔｐｕｔ−Ｐｏｗｅｒ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−Ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ”Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎｏ．１，ｐ１７６−１８１，２００３のｆｉｇ．５
【非特許文献２】Ｄ．Ａ．Ｆｒａｎｃｉｓ，Ｓ．Ｐ．ＤｉＪａｉｌｉ，Ｊ．Ｄ．Ｗａｌｋｅｒ，“Ａ  ｓｉｎｇｌｅ−ｃｈｉｐ  ｌｉｎｅａｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ”，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  ２００１（ＯＣＦ２００１），ｐｏｓｔ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、図９のＤＦＢ型光増幅素子を用いた場合、発振光が信号光と同一光路に混入するため、この混入した発振光を除去するための波長フィルタが必要になるという問題があった。
また、図９のＤＦＢ型光増幅素子では、発振光強度が非常に強いため、入射信号強度が小さいと、通常の波長フィルタを用いた場合においても、信号光と同程度の強度で発振光が残留するという問題があった。
【００１５】
さらに、信号光の利得は、ＤＦＢレーザのグレーティングにより決まる発振しきい値利得にクランプされるため、ＤＦＢ型光増幅素子の製造段階で一意に決まり、ＤＦＢ型光増幅素子の使用時に信号光の利得を変化させることができないという問題があった。
また、特許文献２に開示された半導体光アンプにおいても、図９のＤＦＢ型光増幅素子と同様の問題があった。
【００１６】
さらに、非特許文献２に開示された方法では、信号光を単一横モードにすると、信号光導波路の幅が狭くなるため、信号光の導波方向と直交する方向での発振が困難になるという問題があった。一方、信号光の波長で決定される一定値よりも信号光導波路の幅を大きくすると、信号光が単一横モードにならず、モード分散や入出力時の光ファイバによる結合によって損失が発生するという問題があった。
【００１７】
また、非特許文献２に開示された方法であっても、信号光の利得は、信号光導波路の上下に設けられた反射器により決まる発振光の発振しきい値利得にクランプされるため、光増幅素子の製造段階で一意に決まり、光増幅素子の使用時に信号光の利得を変化させることができないという問題があった。
そこで、本発明の目的は、信号光の導波方向に発振光を混入させることなく、入力光強度による利得変動を抑えるとともに、使用時の信号光の利得を変化させることが可能な光増幅素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述した課題を解決するために、請求項１記載の光増幅素子によれば、単一モードの光を導波させる単一モード導波路からなる入力導波路および出力導波路と、前記入力導波路と前記出力導波路との間に光学的に結合するように配置され、複数モードの光を導波させるとともに、少なくとも一部に利得媒質を含むように構成された多モード導波路と、前記多モード導波路から延伸された利得媒質に形成され、前記多モード導波路に入射された光の伝搬方向と交差する方向に光を反射させる回折格子とを備え、前記入力導波路および前記出力導波路ならびに前記多モード導波路は導波路中心軸が互いに一致するように同一基板上に並べて配置され、前記回折格子は前記多モード導波路の両脇のみに対向配置されるとともに、前記多モード導波路の幅および長さは自己結合効果を起こすように設定されていることを特徴とする。
【００１９】
これにより、信号光の導波方向と異なる方向に導波する発振光を多モード導波路で生成させることを可能としつつ、多モード導波路での発振作用により信号光の利得をクランプさせることが可能となるとともに、回折格子にも利得を持たせることが可能となり、多モード導波路でのキャリア密度を変化させることができる。このため、多モード導波路を伝播する信号光に発振光が混入することを防止しつつ、発振により利得がクランプされた利得媒質内で、入力信号光を増幅させることが可能となるとともに、多モード導波路でのクランプ時の利得を変化させることができる。この結果、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となるとともに、使用時の信号光の利得を変化させることができる。
また、単一モード導波路および多モード導波路を低損失で結合することが可能となるとともに、信号光の伝搬方向と直交する方向に発振を起こさせることが可能となる。このため、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となるとともに、多モード導波路にて増幅された信号光に発振光が混入することを防止することができる。
【００２０】
また、請求項２記載の光増幅素子によれば、単一モードの光を導波させる単一モード導波路からなる入力導波路および出力導波路と、前記入力導波路と前記出力導波路との間に光学的に結合するように配置され、複数モードの光を導波させるとともに、少なくとも一部に第１の利得媒質を含むように構成された多モード導波路と、前記第１の利得媒質と分離された第２の利得媒質に形成され、前記多モード導波路に入射された光の伝搬方向と交差する方向に光を反射させる回折格子とを備え、前記入力導波路および前記出力導波路ならびに前記多モード導波路は導波路中心軸が互いに一致するように同一基板上に並べて配置され、前記回折格子は前記多モード導波路の両脇のみに対向配置されるとともに、前記多モード導波路の幅および長さは自己結合効果を起こすように設定されていることを特徴とする。
【００２１】
これにより、信号光の導波方向と異なる方向に導波する発振光を多モード導波路で生成させることを可能としつつ、多モード導波路での発振作用により信号光の利得をクランプさせることが可能となるとともに、回折格子にも利得を持たせることが可能となり、多モード導波路でのキャリア密度を変化させることができる。このため、多モード導波路を伝播する信号光に発振光が混入することを防止しつつ、発振により利得がクランプされた利得媒質内で、入力信号光を増幅させることが可能となるとともに、多モード導波路でのクランプ時の利得を変化させることができる。この結果、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となるとともに、使用時の信号光の利得を変化させることができる。
【００２２】
また、単一モード導波路および多モード導波路を低損失で結合することが可能となるとともに、信号光の伝搬方向と直交する方向に発振を起こさせることが可能となる。  このため、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となるとともに、多モード導波路にて増幅された信号光に発振光が混入することを防止することができる。
【００２３】
また、請求項３記載の光増幅素子によれば、前記多モード導波路に電流を注入する第１電極と、前記多モード導波路と独立して前記回折格子に電流を注入する第２電極とをさらに備えることを特徴とする。
これにより、多モード導波路への電流注入と回折格子への電流注入とをそれぞれ別個に制御することが可能となる。このため、多モード導波路を伝播する信号光の利得制御を精度よく行うことを可能としつつ、使用時の信号光の利得を変化させることが可能となる。
【００２４】
また、請求項４記載の光増幅素子によれば、前記多モード導波路と前記回折格子の少なくとも一部とを分離する電流ブロック層または分離溝をさらに備えることを特徴とする。
これにより、多モード導波路への電流注入と回折格子への電流注入とをそれぞれ精度よく制御することが可能となる。このため、多モード導波路および回折格子のキャリア密度の制御を精度よく行うことが可能となり、信号光の利得制御を精度よく行うことが可能となるとともに、信号光の利得を精密に変化させることが可能となる。
【００２５】
また、請求項５記載の光増幅素子によれば、前記回折格子の結合係数が１００ｃｍ−１以上であることを特徴とする。
これにより、回折格子の反射率を高めることが可能となり、光導波路の幅が狭い場合においても、信号光の導波方向と直交する方向で発振を起こさせることが可能となる。
【発明の効果】
【００３０】
以上説明したように、本発明によれば、多モード導波路での発振作用により信号光の利得をクランプさせることが可能としつつ、回折格子に利得を持たせることが可能となり、多モード導波路でのクランプ時の利得を変化させることができる。このため、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となるとともに、使用時の信号光の利得を変化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の実施形態に係る光増幅素子について図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＢ１−Ｂ１´線で切断した構成を示す断面図、図１（ｃ）は、図１（ａ）のＣ１−Ｃ１´線で切断した構成を示す断面図である。
図１（ａ）において、ｎ−ＩｎＰ基板２上には、入力信号光を入力する入力導波路Ｎ１、入力信号光を導波させる多モード導波路Ｎ２、出力信号光を出力する出力導波路Ｎ３が形成されている。
【００３２】
ここで、入力導波路Ｎ１および出力導波路Ｎ３は、ＩｎＧａＡｓＰをコアとした利得媒質からなる単一モード導波路から構成することができ、多モード導波路Ｎ２は、ＩｎＧａＡｓＰをコアとした利得媒質からなる多モード導波路から構成することができる。また、入力導波路Ｎ１、多モード導波路Ｎ２および出力導波路Ｎ３は導波路中心軸が互いに一致するようにｎ−ＩｎＰ基板２上に並べて配置することができる。また、多モード導波路Ｎ２の長さＬは、多モード導波路Ｎ２の幅をＷ、多モード導波路Ｎ２の縦方向（基板垂直方向）の等価屈折率をｎeq、入力信号光の波長をλとすると、
Ｌ＝ｎeq・Ｗ2／λ                                          ・・・（１）
の関係を満たすように設定することができる。なお、以下の説明では、（１）式の関係を満たす多モード導波路Ｎ２の長さＬをＬMMIとする。ここで、多モード導波路Ｎ２の長さＬMMIは、多モード導波路Ｎ２において、光が最初にスポット状に集光されるまでの長さを示している。
【００３３】
また、入力導波路Ｎ１側のｎ−ＩｎＰ基板２の端面には反射防止膜１０ａが形成されるとともに、出力導波路Ｎ３側のｎ−ＩｎＰ基板２の端面には反射防止膜１０ｂが形成されている。さらに、多モード導波路Ｎ２の両脇には、多モード導波路Ｎ２に入射された光の伝搬方向と交差する方向に光を反射させる回折格子Ｒ１、Ｒ２が対向配置されている。ここで、回折格子Ｒ１、Ｒ２は多モード導波路Ｎ２から延伸された利得媒質に形成することができる。
【００３４】
そして、入力導波路Ｎ１に入射した入力信号光は、入力導波路Ｎ１を伝搬して多モード導波路Ｎ２に入射される。そして、入力信号光が多モード導波路Ｎ２に入射すると、入力信号光は多モード導波路Ｎ２における固有モードに展開される。すなわち、入力導波路Ｎ１の基本伝搬モードと多モード導波路Ｎ２の複数の伝搬モードとの重なり積分に比例したパワー分布で多モード導波路Ｎ２内の複数の伝搬モードが励振される。そして、多モード導波路Ｎ２内で励振された各モードは、それぞれの伝搬定数により決定される位相条件で多モード導波路Ｎ２内を伝搬する。
【００３５】
そして、光がある距離だけ伝搬すると、各モードの光の位相が多モード導波路Ｎ２内で互いに強め合う状態となり、１つまたは複数のスポットに集光されることがある。この現象は、自己結像効果（ｓｅｌｆ−ｉｍａｇｉｎｇ  ｅｆｆｅｃｔ）として知られている。また、この現象は、多モード干渉（Ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ：ＭＭＩ）としても知られている。
【００３６】
ここで、（１）式の関係を満たすように、多モード導波路Ｎ２の長さＬMMIを設定することにより、多モード導波路Ｎ２内を伝搬する信号光を１つのスポットに集光させることができる。そして、多モード導波路Ｎ２内を長さＬMMIだけ伝搬した信号光は出力導波路Ｎ３に入射し、出力導波路Ｎ３を伝搬した後、出力信号光として端面から出射される。
これにより、多モード導波路Ｎ２内で自己結像効果を起こさせることが可能となり、多モード導波路Ｎ２内を伝搬した信号光を出力導波路Ｎ３の基本モードに結合させることができる。このため、複数の伝搬モードを多モード導波路Ｎ２内で励振させた場合においても、多モード導波路Ｎ２と出力導波路Ｎ３との間の結合損失を低減させることができる。
【００３７】
例えば、多モード導波路Ｎ２の幅Ｗ＝２０μｍ、多モード導波路Ｎ２の等価屈折率ｎeq＝３．２４、入力信号光の波長λ＝１．５５μｍとすると、多モード導波路Ｎ２の長さＬMMI＝８３６μｍに設定することができる。
また、入力導波路Ｎ１、多モード導波路Ｎ２および出力導波路Ｎ３のコアは利得媒質を含むため、入力信号光は、入力導波路Ｎ１、多モード導波路Ｎ２および出力導波路Ｎ３を伝搬するに従って増幅され、増幅された出力信号光を得ることができる。
【００３８】
一方、多モード導波路Ｎ２にて生成された自然放出光は四方八方に放出され、多モード導波路Ｎ２の両脇の回折格子Ｒ１、Ｒ２にて反射させることにより、入力信号光の導波方向と直交する方向にレーザ発振を起こさせることができる。そして、入力信号光の導波方向と直交する方向にレーザ発振が起こると、多モード導波路Ｎ２に入射された信号光の強度が変動した場合においても、多モード導波路Ｎ２のキャリア密度を一定に保つことができ、光増幅素子の利得を一定値にクランプさせることができる。
【００３９】
このため、出力導波路Ｎ３から出射される増幅光に発振光が混入することを防止しつつ、発振により利得がクランプされた利得媒質内で、入力信号光を増幅させることが可能となる。この結果、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となる。
さらに、多モード導波路Ｎ２から延伸された利得媒質に回折格子Ｒ１、Ｒ２を形成することにより、回折格子Ｒ１、Ｒ２にも利得を持たせることが可能となる。このため、多モード導波路でのクランプ時の利得を変化させることができ、入力光強度による利得変動を抑えつつ、使用時の信号光の利得を変化させることができる。
【００４０】
また、図１（ｂ）において、図１（ａ）の入力導波路Ｎ１および出力導波路Ｎ３では、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３がストライプ状にｎ−ＩｎＰ基板２上に形成されている。なお、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３の幅は、単一モードの光が伝播されるように設定することができ、入力導波路Ｎ１および出力導波路Ｎ３のＩｎＧａＡｓＰ活性層３の幅は、例えば、０．８μｍに設定することができる。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３の両側は、ｎ−ＩｎＰ基板２上に順次積層されたｐ−ＩｎＰ電流ブロック層４およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５にて埋め込まれている。ここで、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層４およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５にてＩｎＧａＡｓＰ活性層３の両側を埋め込むことにより、埋め込みヘテロ構造を構成することができる。
【００４１】
そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層６が形成されている。ここで、ｎ−ＩｎＰ基板２とｐ−ＩｎＰクラッド層６との間にＩｎＧａＡｓＰ活性層３を形成することにより、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３をコアとした利得媒質からなる入力導波路Ｎ１および出力導波路Ｎ３を構成することができる。
そして、ｐ−ＩｎＰクラッド層６上には、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３に対応して配置されたｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７が形成されている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７上には、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７に接続するための開口部が形成された絶縁膜８を介してｐ側電極９が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板２の裏面にはｎ側電極１が形成されている。
【００４２】
なお、図１（ｂ）の構成例では、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層４およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５としては、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とを交互に積み重ねて構成する方法について説明したが、例えば、ＦｅやＲｕがドーピングされた半絶縁性ＩｎＰであってもよく、Ａｌを含む組成の酸化により電流ブロック層を形成するようにしてもよい。
また、図１（ｃ）において、図１（ａ）の多モード導波路Ｎ２では、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３がストライプ状にｎ−ＩｎＰ基板２上に形成されている。なお、多モード導波路Ｎ２のＩｎＧａＡｓＰ活性層３の幅は、複数のモードの光が伝播されるように設定することができ、多モード導波路Ｎ２のＩｎＧａＡｓＰ活性層３の幅は、例えば、２０μｍに設定することができる。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３は回折格子Ｒ１、Ｒ２に延伸され、回折格子Ｒ１、Ｒ２のＩｎＧａＡｓＰ活性層３には、入力信号光の伝搬方向に沿うように埋め込まれたＩｎＰ埋め込み層３ａが所定間隔で形成されている。ここで、回折格子Ｒ１、Ｒ２は、反射を起すための複素屈折率の周期的な摂動があればよい。
【００４３】
なお、回折格子Ｒ１、Ｒ２の形成方法としては、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３に周期的に形成された溝にＩｎＰを埋め込む方法の他、例えば、組成の異なるＩｎＧａＡｓＰやＡｌを含む組成を埋め込むようにしてもよい。
また、回折格子Ｒ１、Ｒ２の形成方法としては、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３自体を直接加工するようにしてもよいが、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３上部の分離へテロ構造のみを加工してもよい。また、回折格子Ｒ１、Ｒ２を形成するために、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３や分離へテロ構造とは別の層を設けるようにしてもよい。また、回折格子Ｒ１、Ｒ２は、屈折率結合だけでなく、利得結合や両者を含む複素結合を用いて構成するようにしてもよい。
【００４４】
そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層６が形成されている。ここで、ｎ−ＩｎＰ基板２とｐ−ＩｎＰクラッド層６との間にＩｎＧａＡｓＰ活性層３を形成することにより、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３をコアとした利得媒質からなる多モード導波路Ｎ２を構成することができる。
そして、ｐ−ＩｎＰクラッド層６上には、多モード導波路Ｎ２および回折格子Ｒ１、Ｒ２に対応して分割されたｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７が形成されている。また、多モード導波路Ｎ２および回折格子Ｒ１、Ｒ２に対応して分割されたｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７上には、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７に接続するための開口部が形成された絶縁膜８を介してｐ側電極９ａ、９ｃ、９ｂがそれぞれ形成され、ｎ−ＩｎＰ基板２の裏面にはｎ側電極１が形成されている。
【００４５】
なお、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層４、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５、ｐ−ＩｎＰクラッド層６およびｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７をｎ−ＩｎＰ基板２上に形成する場合、例えば、ＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｂｅａｍ  ｅｐｉｔａｘｙ）、ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、あるいはＡＬＣＶＤ（ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などのエピタキシャル成長を用いることができる。
【００４６】
また、図１（ｃ）の構成例では、多モード導波路Ｎ２および回折格子Ｒ１、Ｒ２に対応してｐ側電極９ａ、９ｃ、９ｂをそれぞれ独立して形成する方法について示したが、多モード導波路Ｎ２および回折格子Ｒ１、Ｒ２の電極は共通であってもよい。また、回折格子Ｒ１、Ｒ２の電極は共通とし、多モード導波路Ｎ２の電極を独立させるようにしてもよい。
【００４７】
そして、ｐ側電極９ａに電圧を印加することにより、多モード導波路Ｎ２のＩｎＧａＡｓＰ活性層３に電流を注入することができる。また、ｐ側電極９ｂ、９ｃに電圧を印加することにより、回折格子Ｒ１、Ｒ２のＩｎＧａＡｓＰ活性層３に電流を注入することができる。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３に電流が注入されると、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３にて発光させることができる。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３にて生成された光は、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３の両側の回折格子Ｒ１、Ｒ２にて反射され、図１の入力信号光の導波方向と直交する方向にレーザ発振を起こさせることができる。
【００４８】
例えば、回折格子Ｒ１、Ｒ２の反射率ＲHが０．９、すなわち９０％であったとする。また、回折格子Ｒ１、Ｒ２に注入される電流を調整し、回折格子Ｒ１、Ｒ２では利得も損失もない状態であるとする。この場合、デシベル表示に直すと、１０×ｌｏｇ（ＲH）となり、反射損失の０．４６ｄＢに相当する。そして、多モード導波路Ｎ２では自然放出光が四方八方に放出され、多モード導波路Ｎ２の幅方向に進行または導波する光が回折格子Ｒ１、Ｒ２にて反射される。
【００４９】
ここで、反射損失は０．４６ｄＢなので、この反射光が多モード導波路Ｎ２の幅方向に距離Ｗだけ伝搬する間に０．４６ｄＢの利得があれば、反射損失と利得とが釣り合う。この結果、回折格子Ｒ１、Ｒ２とＩｎＧａＡｓＰ活性層３とからなるレーザキャビティが多モード導波路Ｎ２の幅方向に形成され、多モード導波路Ｎ２の幅方向にレーザ発振を起こさせることができる。
【００５０】
例えば、多モード導波路Ｎ２の幅Ｗ＝２０μｍとすると、多モード導波路Ｎ２の利得が０．４６ｄＢ／２０μｍだけあればレーザ発振を起こさせることができる。そして、多モード導波路Ｎ２内にレーザ発振が起こると、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３に入射された信号光強度が変動した場合においても、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３のキャリア密度を一定に保つことができ、光増幅素子の利得を一定値にクランプさせることができる。
【００５１】
一方、多モード導波路Ｎ２を軸方向に伝搬する信号光の利得について考えると、多モード導波路Ｎ２の長さＬMMI＝８３６μｍであり、多モード導波路Ｎ２の利得は０．４６ｄＢ／２０μｍにクランプされている。このため、多モード導波路Ｎ２を伝搬した時の信号光の利得は、
８３６μｍ×（０．４６ｄＢ／２０μｍ）＝１９ｄＢ                ・・・（２）
でクランプされる。
【００５２】
そして、多モード導波路Ｎ２の利得がクランプされると、これ以上多モード導波路Ｎ２に電流を注入しても、この電流は発振光のパワーを増大させるために消費され、信号光の利得に寄与することはない。一方、入射側端面および出射側端面には反射防止膜１０ａ、１０ｂがそれぞれ設けられているため、残留反射率ＲARは０．１％以下（−３０ｄＢ以下）に抑えられている。このため、多モード導波路Ｎ２の利得が１９ｄＢだけあったとしても、入力信号光の伝搬方向では発振に至ることはなく、進行波型の光増幅動作が行われる。
【００５３】
なお、上述した説明では、回折格子Ｒ１、Ｒ２の反射率ＲHが０．９であるとしたが、信号光の伝搬方向での発振が起こらないような範囲で、回折格子Ｒ１、Ｒ２の反射率ＲHを低下させるようにしてもよい。これにより、多モード導波路Ｎ２でのクランプに必要な利得が上昇し、キャリア密度が増加するため、信号光の利得を上昇させることができる。
一方、回折格子Ｒ１、Ｒ２に注入される電流を増加させ、回折格子Ｒ１、Ｒ２にも利得を持たせるようにしてもよい。これにより、多モード導波路Ｎ２でのクランプに必要な利得が低下し、キャリア密度が減少するため、信号光の利得を減少させることができる。すなわち、素子構造に寄らずに、動作条件を変化させるだけで、利得のクランプ値を変化させることができ、使用時の信号光の利得を変化させることができる。
【００５４】
また、多モード導波路Ｎ２および回折格子Ｒ１、Ｒ２に対応してｐ側電極９ａ、９ｃ、９ｂをそれぞれ独立して形成することにより、多モード導波路Ｎ２への電流注入と回折格子Ｒ１、Ｒ２への電流注入とをそれぞれ別個に制御することが可能となる。このため、発振時の多モード導波路のキャリア密度を変化させることが可能となり、多モード導波路を伝播する信号光の利得制御を精度よく行うことを可能としつつ、使用時の信号光の利得を変化させることが可能となる。例えば、回折格子Ｒ１、Ｒ２に注入される電流を減少させることにより、回折格子Ｒ１、Ｒ２の利得が低下し、それを補うために多モード導波路Ｎ２でのクランプに必要な利得が上昇することから、多モード導波路Ｎ２のキャリア密度が上昇し、信号光の利得を増加させることができる。
【００５５】
図２は、図１の光増幅素子の飽和特性を示す図である。
図２において、多モード導波路Ｎ２に電流を注入すると、最初は電流の増加とともに利得は増加する。そして、電流がＩ1に達すると、多モード導波路Ｎ２の幅方向に距離Ｗだけ伝搬した時の利得がしきい値利得Ｇlateralに達し、多モード導波路Ｎ２の幅方向で発振が生じる。この時、しきい値利得Ｇlateralは、
Ｇlateral＝−１０×ｌｏｇ（ＲH）（ｄＢ）                      ・・・（３）
で与えられる。
【００５６】
さらに電流を増加させ、電流がＩ2（＞Ｉ1）に達した場合においても、多モード導波路Ｎ２内では既に発振が生じているためキャリア密度は一定値にクランプされ、利得は増加しない。すなわち、通常の光増幅素子では、電流がＩ1を超えても、電流の増加に伴って利得が単調増加するのに対して、本実施形態では、多モード導波路Ｎ２の利得をＧ0にクランプさせることができる。この時、多モード導波路Ｎ２での信号光の利得Ｇ0は、
Ｇ0＝Ｇlatera×ＬMMI／Ｗ                                      ・・・（４）
で与えられる。ここで、信号光の利得Ｇ0は、（１）、（３）式を用いることにより、
Ｇ0＝−１０×ｌｏｇ（ＲH）×ｎeq×Ｗ／λ                        ・・・（５）
となる。
【００５７】
そして、電流がＩ1以上の動作状態、すなわち、多モード導波路Ｎ２の幅方向で発振が生じているために利得がＧ0にクランプされている状態では、図１の入力信号光の強度が大きくなった場合でも、発振光の強度が減少するだけで光増幅素子内部の発振光と信号光のトータルの光強度は一定に保たれる。このため、光増幅素子内の利得媒質のキャリア密度に変動が生じることはなく、図２に示すように、光増幅素子の利得は一定に保たれる。この結果、入力信号光の波長多重数が変化した場合においても、利得変動を抑制することができ、波長多重光伝送システムを安定に動作させることができる。
【００５８】
また、上述した実施形態では、多モード導波路Ｎ２の幅方向に形成された回折格子Ｒ１、Ｒ２とＩｎＧａＡｓＰ活性層３とからなるレーザキャビティでレーザ発振が起こるため、発振光の伝搬方向と信号光の伝搬方向とを直交させることができる。このため、発振光が入力導波路Ｎ１および出力導波路Ｎ３に混入することを防止することができ、発振光と信号光とを空間的に分離することができる。このため、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となる。
【００５９】
また、多モード導波路Ｎ２は、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３をコアとして、信号光に対しては幅Ｗ、長さＬMMIの多モード導波路として、発振光対しては幅ＬMMI、長さＷの多モード導波路として、それぞれ作用するため、発振光および信号光の双方を水平方向（基板面内方向）に伝搬させることができる。このため、通常の半導体レーザおよび半導体光増幅器の製造プロセスをそのまま流用することができ、光増幅素子の製造工程の煩雑化を抑制することが可能となるとともに、高信頼性を確保することができる。
【００６０】
さらに、発振光の伝搬方向となるＩｎＧａＡｓＰ活性層３の幅方向には、多モード導波路Ｎ２を構成するための十分なスペースを確保することができる。このため、単一モード導波路の幅方向または厚み方向に発振光が伝搬する場合に比べて多くの距離を伝搬させることができ、大きな利得を得ることができる。このため、回折格子Ｒ１、Ｒ２の反射率がある程度低くても発振を起こさせることができ、回折格子Ｒ１、Ｒ２の反射率に対する要求を緩和させて、回折格子Ｒ１、Ｒ２の作製を容易化することができる。
【００６１】
なお、利得媒質を含む導波路の構成に関しては、特に制約を設けるものではなく、通常の光増幅素子で用いられている全ての層構造に適用するようにしてもよい。すなわち、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３の形状はバルクの他、ＭＱＷ（多重量子井戸）、量子細線、量子ドットなどでもよく、また、上下の閉じ込めを所望の値にするために分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）や、屈折率を徐々に変化させた傾斜屈折率閉じ込め構造（ＧＲＩＮ−ＳＣＨ）としてもよい。例えば、バンドギャップ波長が利得媒質とＩｎＰクラッドとの間にあるようなＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込め層または光ガイド層を利得媒質の上部または下部に設けるようにしてもよい。さらに、材料に関しても、ＩｎＰおよびＩｎＧａＡｓＰの組み合わせに限定されることなく、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰなど他の半導体材料を用いるようにしてもよい。
【００６２】
また、導波路構造に関しても、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造を用いるようにしてもよい。さらに、基板に関しても、ｎ型基板に限定されることなく、ｐ型基板または半絶縁性基板を用いるようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、作製プロセスの容易化の観点から、信号光の伝搬経路に沿って、入力導波路Ｎ１から多モード導波路Ｎ２を経て出力導波路Ｎ３に至るまでの全てについて利得媒質をコアに含む場合について説明したが、少なくとも多モード導波路Ｎ２のコアまたはクラッドの一部に利得媒質を設けるようにしてもよい。
【００６３】
また、上述した実施形態では、作製プロセスの容易化の観点から、同一のＩｎＧａＡｓＰ活性層３を用いることにより、多モード導波路Ｎ２および回折格子Ｒ１、Ｒ２を形成する方法について説明したが、特に制約を設けるものではない。例えば、信号光の伝搬方向と直交する方向に発振を容易に起こさせたり、信号光の導波路でのクランプ利得を調整するために、回折格子Ｒ１、Ｒ２の少なくとも一部に利得を持たせるようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、単一モード導波路からなる入力導波路Ｎ１および出力導波路Ｎ３をそれぞれ１導波路ずつ設ける方法について説明したが、多モード入力および多モード出力の場合に適用するようにしてもよい。
【００６４】
また、上述した実施形態では、信号光の導波方向と直交する方向の利得を稼ぐために、単一モード導波路からなる入力導波路Ｎ１と出力導波路Ｎ３との間に多モード導波路Ｎ２を接続する方法について説明したが、信号光を導波させるための導波路を単一モード導波路のみで構成するとともに、単一モード導波路に入射された光の伝搬方向と交差する方向に光を反射させる回折格子を設け、その回折格子に利得を持たせるようにしてもよい。これにより、単一モード導波路の幅が狭い場合においても、単一モード導波路の幅方向に発振を起こさせることが可能となり、発振により利得がクランプされた利得媒質内で、入力信号光を増幅させることが可能となる。この結果、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となるとともに、信号光導波路を単純な直線導波路から構成することができ、作製誤差に起因するばらつきや損失の増大を抑制することができる。
【００６５】
図３は、図１の光増幅素子の規格化結合係数に対する反射率の関係を示す図である。なお、図３では、回折格子が無損失と仮定した場合、規格化結合係数に対して最も反射率が高くなるブラッグ波長の反射率Ｒを示す。ただし、規格化結合係数は、結合係数κと回折格子長Ｌの積を表す。
図３において、回折格子の規格化結合係数が１．０程度であれば、５８％程度の反射率Ｒを得ることができる。また、回折格子の規格化結合係数が１．５程度であれば、８０％以上の反射率Ｒを得ることができる。さらに、９０％以上の反射率Ｒが必要な場合は、回折格子の規格化結合係数を１．８程度とすればよい。また、反射率Ｒを９９％以上とする場合には、回折格子の規格化結合係数を３以上とする必要がある。
【００６６】
一方、図１の構成では、共振方向は信号光の導波方向と直交する方向であるため、最大でもデバイスの信号光の伝播方向に対してデバイスの横幅のほぼ半分を回折格子長とすることができる。また、図２の計算結果は無損失を前提としているが、実際のデバイスでは損失があるため、計算結果よりも反射率が低下する。従って、回折格子長が長くなると、デバイスの横幅が大きくなるため、回折格子長は短い方が好ましい。例えば、回折格子長を１５０μｍとして、反射率Ｒを８０％以上としたい場合、すなわち、規格化結合係数を１．５程度とすると、１００ｃｍ-1以上の結合係数が必要となる。また、回折格子長を１５０μｍとして、反射率Ｒを９９％以上としたい場合、すなわち、規格化結合係数を３とすると、２００ｃｍ-1の結合係数が必要となる。
【００６７】
このため、デバイスの横幅を３００μｍ程度とすることができ、従来の半導体光増幅素子や半導体レーザなどと同程度のサイズで図１の光増幅素子を構成することができ、１ウェハから取り出せる光増幅素子の個数を確保することができる。また、特殊な形状が必要となるわけでもないので、従来の半導体光増幅素子の部材をそのまま用いることができる。
【００６８】
図４（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ２−Ｂ２´線で切断した構成を示す断面図、図４（ｃ）は、図４（ａ）のＣ２−Ｃ２´線で切断した構成を示す断面図である。
図４（ａ）において、ｎ−ＩｎＰ基板２２上には、入力信号光を入力する入力導波路Ｎ１１、入力信号光を導波させる多モード導波路Ｎ１２、出力信号光を出力する出力導波路Ｎ１３が形成されている。
【００６９】
ここで、入力導波路Ｎ１１および出力導波路Ｎ１３は、ＩｎＧａＡｓＰをコアとした利得媒質からなる単一モード導波路から構成することができ、多モード導波路Ｎ１２は、ＩｎＧａＡｓＰをコアとした利得媒質からなる多モード導波路から構成することができる。また、入力導波路Ｎ１１側のｎ−ＩｎＰ基板２２の端面には反射防止膜３０ａが形成されるとともに、出力導波路Ｎ１３側のｎ−ＩｎＰ基板２２の端面には反射防止膜３０ｂが形成されている。さらに、多モード導波路Ｎ１２の両脇には、多モード導波路Ｎ１２に入射された光の伝搬方向と交差する方向に光を反射させる回折格子Ｒ１１、Ｒ１２が対向配置されている。ここで、回折格子Ｒ１１、Ｒ１２は多モード導波路Ｎ１２と同一層上に配置された利得媒質に形成することができ、回折格子Ｒ１１、Ｒ１２に形成された利得媒質と多モード導波路Ｎ１２に形成された利得媒質とは互いに分離することができる。
【００７０】
また、図４（ｂ）において、図４（ａ）の入力導波路Ｎ１１および出力導波路Ｎ１３では、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２３がストライプ状にｎ−ＩｎＰ基板２２上に形成されている。なお、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２３の幅は、単一モードの光が伝播されるように設定することができる。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２３の両側は、ｎ−ＩｎＰ基板２２上に順次積層されたｐ−ＩｎＰ電流ブロック層２４およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層２５にて埋め込まれている。ここで、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層２４およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層２５にてＩｎＧａＡｓＰ活性層２３の両側を埋め込むことにより、埋め込みヘテロ構造を構成することができる。
【００７１】
そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２３およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層２５上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層２６が形成されている。ここで、ｎ−ＩｎＰ基板２２とｐ−ＩｎＰクラッド層２６との間にＩｎＧａＡｓＰ活性層２３を形成することにより、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２３をコアとした利得媒質からなる入力導波路Ｎ１１および出力導波路Ｎ１３を構成することができる。
【００７２】
そして、ｐ−ＩｎＰクラッド層２６上には、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２３に対応して配置されたｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２７が形成されている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２７上には、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２７に接続するための開口部が形成された絶縁膜２８を介してｐ側電極２９が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板２２の裏面にはｎ側電極２１が形成されている。
【００７３】
また、図４（ｃ）において、図４（ａ）の多モード導波路Ｎ１２では、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２３がストライプ状にｎ−ＩｎＰ基板２２上に形成されている。なお、多モード導波路Ｎ１２のＩｎＧａＡｓＰ活性層２３の幅は、複数のモードの光が伝播されるように設定することができる。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２３は回折格子Ｒ１１、Ｒ１２に延伸され、回折格子Ｒ１１、Ｒ１２のＩｎＧａＡｓＰ活性層２３には、入力信号光の伝搬方向に沿うように埋め込まれたＩｎＰ埋め込み層２３ａが所定間隔で形成されている。さらに、入力導波路Ｎ１１および出力導波路Ｎ１３のＩｎＧａＡｓＰ活性層２３の両側に順次埋め込まれたｐ−ＩｎＰ電流ブロック層２４およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層２５は、回折格子Ｒ１１、Ｒ１２と多モード導波路Ｎ１２との間のＩｎＧａＡｓＰ活性層２３を分断するように延伸されている。
【００７４】
そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２３およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層２５上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層２６が形成されている。ここで、ｎ−ＩｎＰ基板２２とｐ−ＩｎＰクラッド層２６との間にＩｎＧａＡｓＰ活性層２３を形成することにより、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２３をコアとした利得媒質からなる多モード導波路Ｎ１２を構成することができる。
そして、ｐ−ＩｎＰクラッド層２６上には、多モード導波路Ｎ１２および回折格子Ｒ１１、Ｒ１２に対応して分割されたｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２７が形成されている。また、多モード導波路Ｎ１２および回折格子Ｒ１１、Ｒ１２に対応して分割されたｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２７上には、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２７に接続するための開口部が形成された絶縁膜２８を介してｐ側電極２９ａ、２９ｃ、２９ｂがそれぞれ形成され、ｎ−ＩｎＰ基板２２の裏面にはｎ側電極２１が形成されている。
【００７５】
これにより、信号光の導波方向と直交する方向にレーザ発振を起こさせることが可能となり、発振により利得がクランプされた利得媒質内で、入力信号光を増幅させることが可能となる。このため、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となる。また、回折格子Ｒ１１、Ｒ１２に利得を持たせつつ、回折格子Ｒ１１、Ｒ１２と多モード導波路Ｎ１２との間でＩｎＧａＡｓＰ活性層２３を分割することが可能となり、多モード導波路Ｎ１２への電流注入と回折格子Ｒ１１、Ｒ１２への電流注入とをそれぞれ精度よく制御することが可能となる。このため、多モード導波路Ｎ１２および回折格子Ｒ１１、Ｒ１２のキャリア密度の制御を精度よく行うことが可能となり、信号光の利得制御を精度よく行うことが可能となるとともに、信号光の利得を精密に変化させることが可能となる。さらに、多モード導波路Ｎ１２の境界での屈折率差を明確化することが可能となり、多モード導波路Ｎ１２の特性を向上させることができる。
【００７６】
さらに、入力導波路Ｎ１１および出力導波路Ｎ１３のＩｎＧａＡｓＰ活性層２３の両側に順次埋め込まれたｐ−ＩｎＰ電流ブロック層２４およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層２５を、回折格子Ｒ１１、Ｒ１２と多モード導波路Ｎ１２との間のＩｎＧａＡｓＰ活性層２３に延伸することにより、入力導波路Ｎ１１、出力導波路Ｎ１３および多モード導波路Ｎ１２のｐ−ＩｎＰ電流ブロック層２４およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層２５を一括形成することが可能となり、製造プロセスの煩雑化を抑制することができる。
【００７７】
図５（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＢ３−Ｂ３´線で切断した構成を示す断面図、図５（ｃ）は、図５（ａ）のＣ３−Ｃ３´線で切断した構成を示す断面図である。
図５（ａ）において、ｎ−ＩｎＰ基板４２上には、入力信号光を入力する入力導波路Ｎ２１、入力信号光を導波させる多モード導波路Ｎ２２、出力信号光を出力する出力導波路Ｎ２３が形成されている。
【００７８】
ここで、入力導波路Ｎ２１および出力導波路Ｎ２３は、ＩｎＧａＡｓＰをコアとした利得媒質からなる単一モード導波路から構成することができ、多モード導波路Ｎ２２は、ＩｎＧａＡｓＰをコアとした利得媒質からなる多モード導波路から構成することができる。また、入力導波路Ｎ２１側のｎ−ＩｎＰ基板４２の端面には反射防止膜５０ａが形成されるとともに、出力導波路Ｎ２３側のｎ−ＩｎＰ基板４２の端面には反射防止膜５０ｂが形成されている。さらに、多モード導波路Ｎ２２の両脇には、多モード導波路Ｎ２２に入射された光の伝搬方向と交差する方向に光を反射させる回折格子Ｒ２１、Ｒ２２が対向配置されている。ここで、回折格子Ｒ２１、Ｒ２２は多モード導波路Ｎ２２から延伸された利得媒質に形成することができる。
【００７９】
また、図５（ｂ）において、図５（ａ）の入力導波路Ｎ２１および出力導波路Ｎ２３では、ＩｎＧａＡｓＰ活性層４３がストライプ状にｎ−ＩｎＰ基板４２上に形成されている。なお、ＩｎＧａＡｓＰ活性層４３の幅は、単一モードの光が伝播されるように設定することができる。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層４３上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層４６が形成されている。そして、ｐ−ＩｎＰクラッド層４６は、入力導波路Ｎ２１および出力導波路Ｎ２３の両側がＩｎＧａＡｓＰ活性層４３の上部までエッチング除去され、リッジ構造が形成されている。ここで、ｐ−ＩｎＰクラッド層４６のエッチング除去されずに残る部分（リッジ部）とエッチング除去された部分とでは等価屈折率に差が生じ、リッジ部の等価屈折率が大きくなるために、ＩｎＧａＡｓＰ活性層４３をコアとした利得媒質からなる入力導波路Ｎ２１および出力導波路Ｎ２３を構成することができる。
【００８０】
そして、ｐ−ＩｎＰクラッド層４６のエッチング除去された部分には絶縁膜４８が埋め込まれるとともに、ｐ−ＩｎＰクラッド層４６のエッチング除去されずに残る部分上には、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層４７が形成されている。なお、絶縁膜４８としては、例えば、ポリイミドやＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）などを用いることができる。そして、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層４７上には、絶縁膜４８上にまたがるようにしてｐ側電極４９が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板４２の裏面にはｎ側電極４１が形成されている。
【００８１】
また、図５（ｃ）において、図５（ａ）の多モード導波路Ｎ２２では、ＩｎＧａＡｓＰ活性層４３がストライプ状にｎ−ＩｎＰ基板４２上に形成されている。なお、多モード導波路Ｎ２２のＩｎＧａＡｓＰ活性層４３の幅は、複数のモードの光が伝播されるように設定することができる。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層４３は回折格子Ｒ２１、Ｒ２２に延伸され、回折格子Ｒ２１、Ｒ２２のＩｎＧａＡｓＰ活性層４３には、入力信号光の伝搬方向に沿うように埋め込まれたＩｎＰ埋め込み層４３ａが所定間隔で形成されている。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層４３上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層４６が形成されている。
【００８２】
そして、ｐ−ＩｎＰクラッド層４６は、回折格子Ｒ２１、Ｒ２２と多モード導波路Ｎ２２との間がＩｎＧａＡｓＰ活性層４３の上部までエッチング除去され、リッジ構造が形成されている。ここで、ｐ−ＩｎＰクラッド層４６のエッチング除去されずに残る部分（リッジ部）とエッチング除去された部分とでは等価屈折率に差が生じ、リッジ部の等価屈折率が大きくなるために、ＩｎＧａＡｓＰ活性層４３をコアとした利得媒質からなる多モード導波路Ｎ２２を構成することができる。
【００８３】
そして、ｐ−ＩｎＰクラッド層４６のエッチング除去された部分には絶縁膜４８が埋め込まれるとともに、ｐ−ＩｎＰクラッド層４６のエッチング除去されずに残る部分上には、多モード導波路Ｎ２２および回折格子Ｒ２１、Ｒ２２に対応して分割されたｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層４７が形成されている。また、多モード導波路Ｎ２２および回折格子Ｒ２１、Ｒ２２に対応して分割されたｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層４７上にはｐ側電極４９ａ、４９ｃ、４９ｂがそれぞれ形成され、ｎ−ＩｎＰ基板４２の裏面にはｎ側電極４１が形成されている。
【００８４】
これにより、信号光の導波方向と直交する方向にレーザ発振を起こさせることが可能となり、発振により利得がクランプされた利得媒質内で、入力信号光を増幅させることが可能となる。このため、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となる。また、回折格子Ｒ２１、Ｒ２２に利得を持たせることが可能となるとともに、信号光と直交する方向での回折格子Ｒ２１、Ｒ２２による共振器における損失を抑制しつつ、ｐ側電極４９ａ、４９ｃ、４９ｂを介して注入された電流を多モード導波路Ｎ２２および回折格子Ｒ２１、Ｒ２２にそれぞれ対応したＩｎＧａＡｓＰ活性層４３に効率よく導くことが可能となる。このため、多モード導波路Ｎ２２および回折格子Ｒ２１、Ｒ２２のキャリア密度の制御を精度よく行うことが可能となり、信号光の利得制御を精度よく行うことが可能となるとともに、信号光の利得を精密に変化させることが可能となる。
【００８５】
図６（ａ）は、本発明の第４実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す平面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＢ４−Ｂ４´線で切断した構成を示す断面図、図６（ｃ）は、図６（ａ）のＣ６−Ｃ６´線で切断した構成を示す断面図、図６（ｄ）は、図６（ａ）のＣ６−Ｃ６´線で切断したその他の構成を示す断面図である。
図６（ａ）において、ｎ−ＩｎＰ基板６２上には、入力信号光を入力する入力導波路Ｎ３１、入力信号光を導波させる多モード導波路Ｎ３２、出力信号光を出力する出力導波路Ｎ３３が形成されている。
【００８６】
ここで、入力導波路Ｎ３１および出力導波路Ｎ３３は、ＩｎＧａＡｓＰをコアとした利得媒質からなる単一モード導波路から構成することができ、多モード導波路Ｎ３２は、ＩｎＧａＡｓＰをコアとした利得媒質からなる多モード導波路から構成することができる。また、入力導波路Ｎ３１側のｎ−ＩｎＰ基板６２の端面には反射防止膜７０ａが形成されるとともに、出力導波路Ｎ３３側のｎ−ＩｎＰ基板６２の端面には反射防止膜７０ｂが形成されている。さらに、多モード導波路Ｎ３２の両脇には、多モード導波路Ｎ３２に入射された光の伝搬方向と交差する方向に光を反射させる回折格子Ｒ３１、Ｒ３２が対向配置されている。ここで、回折格子Ｒ３１、Ｒ３２は多モード導波路Ｎ３２と同一層上に配置された利得媒質に形成することができ、回折格子Ｒ３１、Ｒ３２に形成された利得媒質と多モード導波路Ｎ３２に形成された利得媒質とは互いに分離することができる。
【００８７】
また、図６（ｂ）において、図６（ａ）の入力導波路Ｎ３１および出力導波路Ｎ３３では、ＩｎＧａＡｓＰ活性層６３がストライプ状にｎ−ＩｎＰ基板６２上に形成されている。なお、ＩｎＧａＡｓＰ活性層６３の幅は、単一モードの光が伝播されるように設定することができる。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層６３上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層６６が形成されている。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層６３およびｐ−ＩｎＰクラッド層６６は、入力導波路Ｎ３１および出力導波路Ｎ３３の両側がＩｎＧａＡｓＰ活性層６３の下部までエッチング除去され、ハイメサ構造が形成されている。
【００８８】
そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層６３およびｐ−ＩｎＰクラッド層６６のエッチング除去された部分には絶縁膜６８が埋め込まれるとともに、ＩｎＧａＡｓＰ活性層６３およびｐ−ＩｎＰクラッド層６６のエッチング除去されずに残る部分上には、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層６７が形成されている。なお、絶縁膜６８としては、例えば、ポリイミドやＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）などを用いることができる。そして、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層６７上には、絶縁膜６８上にまたがるようにしてｐ側電極６９が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板６２の裏面にはｎ側電極６１が形成されている。
【００８９】
また、図６（ｃ）において、図６（ａ）の多モード導波路Ｎ３２では、ＩｎＧａＡｓＰ活性層６３がストライプ状にｎ−ＩｎＰ基板６２上に形成されている。なお、多モード導波路Ｎ６２のＩｎＧａＡｓＰ活性層６３の幅は、複数のモードの光が伝播されるように設定することができる。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層６３は回折格子Ｒ３１、Ｒ３２に延伸され、回折格子Ｒ３１、Ｒ３２のＩｎＧａＡｓＰ活性層６３には、入力信号光の伝搬方向に沿うように埋め込まれたＩｎＰ埋め込み層６３ａが所定間隔で形成されている。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層６３上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層６６が形成されている。そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層６３およびｐ−ＩｎＰクラッド層６６は、回折格子Ｒ３１、Ｒ３２と多モード導波路Ｎ３２との間がＩｎＧａＡｓＰ活性層６３の下部までエッチング除去され、ハイメサ構造が形成されている。
【００９０】
そして、ＩｎＧａＡｓＰ活性層６３およびｐ−ＩｎＰクラッド層６６のエッチング除去された部分には絶縁膜６８が埋め込まれるとともに、ＩｎＧａＡｓＰ活性層６３およびｐ−ＩｎＰクラッド層６６のエッチング除去されずに残る部分上には、多モード導波路Ｎ３２および回折格子Ｒ３１、Ｒ３２に対応して分割されたｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層６７が形成されている。また、多モード導波路Ｎ３２および回折格子Ｒ３１、Ｒ３２に対応して分割されたｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層６７上にはｐ側電極６９ａ、６９ｃ、６９ｂがそれぞれ形成され、ｎ−ＩｎＰ基板６２の裏面にはｎ側電極６１が形成されている。
【００９１】
これにより、信号光の導波方向と直交する方向にレーザ発振を起こさせることが可能となり、発振により利得がクランプされた利得媒質内で、入力信号光を増幅させることが可能となる。このため、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となる。また、回折格子Ｒ３１、Ｒ３２に利得を持たせつつ、回折格子Ｒ３１、Ｒ３２と多モード導波路Ｎ３２との間でＩｎＧａＡｓＰ活性層６３を分割することが可能となり、多モード導波路Ｎ３２への電流注入と回折格子Ｒ３１、Ｒ３２への電流注入とをそれぞれ精度よく制御することが可能となる。このため、多モード導波路Ｎ３２および回折格子Ｒ３１、Ｒ３２のキャリア密度の制御を精度よく行うことが可能となり、信号光の利得制御を精度よく行うことが可能となるとともに、信号光の利得を精密に変化させることが可能となる。
【００９２】
なお、信号光と直交する方向での回折格子Ｒ３１、Ｒ３２による共振器における損失を抑制するために、多モード導波路Ｎ３２と回折格子Ｒ３１、Ｒ３２とを隔てる溝に埋め込む絶縁体を、屈折率の異なる２種類以上の材料を用いたサンドイッチ構造としてもよい。例えば、図６（ｄ）に示すように、ＩｎＧａＡｓＰ活性層６３およびｐ−ＩｎＰクラッド層６６のエッチング除去された部分には絶縁膜６８ａ〜６８ｃを順次埋め込むことができる。ここで、絶縁膜６８ａ、６８ｃよりも屈折率の大きな材料を絶縁膜６８ｂに用いることにより、スラブ導波路構造を構成することができる。このため、信号光と直交する方向に伝播する発振光が多モード導波路Ｎ３２と回折格子Ｒ３１、Ｒ３２との間を通過する際の損失を低減することができる。
【００９３】
ここで、絶縁膜６８ａ〜６８ｃの材料としてポリイミドなどの有機材料を用いることにより、絶縁膜６８ａ〜６８ｃをスピンコートにて塗布することができ、絶縁膜６８ａ〜６８ｃの多層構造を容易に作製することができる。また、有機材料は酸素プラズマによって容易に加工することができ、半導体構造が破壊されることを防止することができる。また、絶縁膜６８ａ〜６８ｃとして有機材料を用いることにより、多モード導波路Ｎ３２と回折格子Ｒ３１、Ｒ３２とを隔てる溝に絶縁膜６８ａ〜６８ｃの多層構造を形成する際に、入力導波路Ｎ３１および出力導波路Ｎ３３の両脇にも絶縁膜６８ａ〜６８ｃの多層構造が形成された場合においても、絶縁膜６８ａ〜６８ｃの多層構造と半導体との屈折率差を十分に確保することができ、入力導波路Ｎ３１および出力導波路Ｎ３３における信号光の導波に影響が及ぶことを防止することができる。また、有機材料は酸素プラズマによって容易に加工することができ、入力導波路Ｎ３１および出力導波路Ｎ３３の両脇の絶縁膜６８ａ〜６８ｃを容易に除去することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
上述した光増幅素子は、光通信、光交換、光情報処理などの光を利用した光伝送処理システムなどの用途に適用することができ、特に、波長多重数による光信号の利得変動を防止することを可能としつつ、波長多重光伝送システムの大型化を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＢ１−Ｂ１´線で切断した構成を示す断面図、図１（ｃ）は、図１（ａ）のＣ１−Ｃ１´線で切断した構成を示す断面図である。
【図２】図１の光増幅素子の飽和特性を示す図である。
【図３】図１の光増幅素子の規格化結合係数に対する反射率の関係を示す図である。
【図４】図４（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ２−Ｂ２´線で切断した構成を示す断面図、図４（ｃ）は、図４（ａ）のＣ２−Ｃ２´線で切断した構成を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＢ３−Ｂ３´線で切断した構成を示す断面図、図５（ｃ）は、図５（ａ）のＣ３−Ｃ３´線で切断した構成を示す断面図である。
【図６】図６（ａ）は、本発明の第４実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す平面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＢ４−Ｂ４´線で切断した構成を示す断面図、図６（ｃ）は、図６（ａ）のＣ６−Ｃ６´線で切断した構成を示す断面図、６（ｄ）は、図６（ａ）のＣ６−Ｃ６´線で切断したその他の構成を示す断面図である。
【図７】図７（ａ）は、従来の光増幅素子を光導波方向に沿って切断した断面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ´線で切断した断面図である。
【図８】図７の光増幅素子の飽和特性を示す図である。
【図９】図９（ａ）は、従来の光増幅素子を光導波方向に沿って切断した断面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＣ−Ｃ´線で切断した断面図である。
【図１０】図９の光増幅素子の飽和特性を示す図である。
【符号の説明】
【００９６】
１、２１、４１、６１  裏面電極
２、２２、４２、６２  ｎ−ＩｎＰ基板
３、２３、４３、６３  ＧａＩｎＡｓＰ活性層
３ａ、２３ａ、４３ａ、６３ａ  ＩｎＰ埋め込み層
４、２４  ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層
５、２５  ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層
６、２６、４６、６６  ｐ−ＩｎＰクラッド層
７、２７、４７、６７  ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層
８、２８、４８、６８、６８ａ〜６８ｃ  絶縁膜
９、９ａ〜９ｃ、２９、２９ａ〜２９ｃ、４９、４９ａ〜４９ｃ、６９、６９ａ〜６９ｃ  上面電極
１０ａ、１０ｂ、３０ａ、３０ｂ、５０ａ、５０ｂ、７０ａ、７０ｂ  反射防止膜
Ｎ１、Ｎ１１、Ｎ２１、Ｎ３１  入力導波路
Ｎ２、Ｎ１２、Ｎ２２、Ｎ３２  多モード導波路
Ｎ３、Ｎ１３、Ｎ２３、Ｎ３３  出力導波路
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ３１、Ｒ３２  回折格子
【図１】
0004620562.tif 000002
【図２】
0004620562.tif 000003
【図３】
0004620562.tif 000004
【図４】
0004620562.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004620562.tif 000007
【図７】
0004620562.tif 000008
【図８】
0004620562.tif 000009
【図９】
0004620562.tif 000010
【図１０】
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