(57)【要約】【課題】  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ことが可能な半導体光増幅器を提供する。【解決手段】  ｎ−ＩｎＰ基板５０１上に形成されたＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２の両側をｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層５０４で埋め込むとともに、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２と直交する方向に所定間隔で配列されたｎ−ＩｎＰ埋め込み層５１０をｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層５０４に形成することにより、信号光の導波方向と直交する方向で発振が起こるようにする。【選択図】      図１
2005236254.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成され、信号光を増幅する光導波路と、
前記光導波路と交差するように配置され、前記基板に対して水平な方向で発振させる共振部とを備えることを特徴とする半導体光増幅器。
【請求項２】
基板上に形成され、信号光を増幅する光導波路と、
前記光導波路と交差するように配置され、前記基板に対して水平な方向で発振させる共振部と、
前記基板上に形成され、前記光導波路と並列に配置された活性領域とを備えることを特徴とする半導体光増幅器。
【請求項３】
前記活性領域は、それぞれ独立して電流注入可能な複数の領域に分離されていることを特徴とする請求項２記載の半導体光増幅器。
【請求項４】
前記分離された領域の体積が異なることを特徴とする請求項３記載の半導体光増幅器。
【請求項５】
前記活性領域は、前記信号光の光導波方向に沿った端部に電流が注入されないように構成された吸収領域を備えることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項記載の半導体光増幅器。
【請求項６】
前記共振部は、前記光導波路の両側に配置された電流ブロック層を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の半導体光増幅器。
【請求項７】
前記電流ブロック層は、屈折率の高い層が屈折率の低い層で挟まれた積層構造を備えることを特徴とする請求項６記載の半導体光増幅器。
【請求項８】
前記光導波路は、
前記基板上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成されたクラッド層とを備え、
前記電流ブロック層に設けられた屈折率の高い層のバンドギャップは、前記活性層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする請求項７記載の半導体光増幅器。
【請求項９】
前記電流ブロック層は、前記光導波路と直交する方向に光を反射させる回折格子を備えることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項記載の半導体光増幅器。
【請求項１０】
前記回折格子は、前記光導波路と直交する方向に配列され、前記電流ブロック層の屈折率の高い層と屈折率が異なる埋め込み層を備えることを特徴とする請求項９記載の半導体光増幅器。
【請求項１１】
基板上に形成され、信号光を増幅する活性層が設けられた光導波路と、
前記光導波路から続いている活性層に形成され、前記光導波路と直行するように光を反射させる回折格子とを備えることを特徴とする半導体光増幅器。
【請求項１２】
基板上に形成され、信号光を増幅する光導波路と、
前記基板上に形成され、前記光導波路と並列に配置された活性領域と、
前記活性領域に形成され、前記光導波路と交差するように光を反射させる回折格子とを備えることを特徴とする半導体光増幅器。
【請求項１３】
前記基板上に形成され、前記光導波路と前記活性領域とを分離する電流ブロック層をさらに備えることを特徴とする請求項１２記載の半導体光増幅器。
【請求項１４】
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９から１３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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体光増幅器に関し、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（ａ）は、従来の半導体光増幅器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し、従来の半導体光増幅器（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。
【０００４】
図７において、ｎ−ＩｎＰ基板１０１上には、利得媒質であるＧａＩｎＡｓＰ活性層１０２がストライプ状に形成され、ＧａＩｎＡｓＰ活性層１０２は、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、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の半導体光増幅器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。ここで、ＷＤＭシステムでは、光信号として波長多重信号が入射され、その波長多重数は、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。
【０００６】
今、波長多重数ｍの光信号が半導体光増幅器に入射したとものする。この場合、半導体光増幅器の入射光強度がｍ波合計でＰ1（ｄＢｍ）になると、半導体光増幅器の利得は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、半導体光増幅器の入射光強度がｎ波合計でＰ2（ｄＢｍ）になると、半導体光増幅器の利得はＧ2（ｄＢ）になる。
【０００７】
このように、図４の半導体光増幅器を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を用いたものがあった。
【０００８】
図９（ａ）は、従来の半導体光増幅器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の半導体光増幅器では、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光信号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の半導体光増幅器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型半導体光増幅器では、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り、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、半導体光増幅器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、半導体光増幅器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、半導体光増幅器内部でのトータルの光強度が一定に保たれるため、半導体光増幅器のキャリア密度に変動が生じることがなく、半導体光増幅器の利得を一定に保つことができる。
【００１２】
図１０は、図９の半導体光増幅器の飽和特性を示す図である。
図１０において、図９の半導体光増幅器では、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、合計入力パワーが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の半導体光増幅器では、外部からの入射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の半導体光増幅器で発振が生じている限り、入射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、対称マッハツェンダ干渉計の２本のアーム導波路に利得領域を挿入し、対称マッハツェンダ干渉計のクロスポートとなる入力ポートに光反射手段を設け、これらの利得領域および光反射手段とによりレーザ共振器が構成された光増幅装置が開示されている。この光増幅装置では、光反射手段が接続されたポートから信号光が入力される。そして、信号利得がレーザ発振しきい値状態にクランプされた利得領域において、入力信号光が増幅される。そして、増幅された信号光がレーザ発振光と分離され、互いに異なるポートから出力される。
【特許文献１】特開平７−１０６７１４号公報
【特許文献２】特開２０００−１２９７８号公報
【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型半導体光増幅器を用いた場合、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。
さらに、図９のＤＦＢ型半導体光増幅器では、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。
また、特許文献２に開示された方法では、増幅された信号光とレーザ発振光と分離するための光導波路などを設ける必要があり、素子サイズが大きくなる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ことが可能な半導体光増幅器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述した課題を解決するために、請求項１記載の半導体光増幅器によれば、基板上に形成され、信号光を増幅する光導波路と、前記光導波路と交差するように配置され、前記基板に対して水平な方向で発振させる共振部とを備えることを特徴とする。
これにより、信号光の導波方向と異なる方向に発振光を導波させることを可能としつつ、共振部での発振作用により光導波路の利得をクランプさせることができる。このため、光導波路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。
【００１６】
また、請求項２記載の半導体光増幅器によれば、基板上に形成され、信号光を増幅する光導波路と、前記光導波路と交差するように配置され、前記基板に対して水平な方向で発振させる共振部と、前記基板上に形成され、前記光導波路と並列に配置された活性領域とを備えることを特徴とする。
これにより、信号光の導波方向と異なる方向に発振光を導波させることを可能としつつ、共振部で生じる発振のしきい値電流密度を制御することができる。従って、共振部で発振を生じさせながら、光導波路のキャリア密度を制御することが可能となり、光導波路の利得を制御することを可能としつつ、光導波路の利得をクランプさせることができる。このため、光導波路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、入力信号光を所望の値に増幅させることが可能となる。この結果、利得を調整することを可能としつつ、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、素子サイズの増大を抑制することを可能として、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。
【００１７】
また、請求項３記載の半導体光増幅器によれば、前記活性領域は、それぞれ独立して電流注入可能な複数の領域に分離されていることを特徴とする。
これにより、光導波路の部位に応じて利得を異ならせることが可能となり、微妙な利得調整を行うことができる。
また、請求項４記載の半導体光増幅器によれば、前記分離された領域の体積が異なることを特徴とする。
これにより、活性領域に注入される電流値を光導波路の部位に応じて異ならせることが可能となり、活性領域に電流を注入することにより、微妙な利得調整を行うことができる。
【００１８】
また、請求項５記載の半導体光増幅器によれば、前記活性領域は、前記信号光の光導波方向に沿った端部に電流が注入されないように構成された吸収領域を備えることを特徴とする。
これにより、本来発振させたい信号光の導波方向と直交する方向で発振する前に、信号光の導波方向と並行する方向に活性領域が発振することを防止することができ、信号光の導波方向と直交する方向の利得を効果的に補助することが可能となる。
【００１９】
また、請求項６記載の半導体光増幅器によれば、前記共振部は、前記光導波路の両側に配置された電流ブロック層を備えることを特徴とする。
これにより、光導波路に注入される電流を電流ブロック層にてブロックすることを可能としつつ、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。このため、光導波路に電流を効率よく注入することを可能としつつ、光導波路の利得をクランプさせることが可能となるとともに、光導波路から出射される増幅光に発振光が混入することを防止することが可能となり、素子サイズの増大を抑制しつつ、半導体光増幅器の利得を一定に保つことができる
【００２０】
また、請求項７記載の半導体光増幅器によれば、前記電流ブロック層は、屈折率の高い層が屈折率の低い層で挟まれた積層構造を備えることを特徴とする。
これにより、信号光の導波方向と直交する方向にスラブ導波路を形成することが可能となり、信号光の導波方向と直交する方向での導波損失を抑制することができる。このため、光導波路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、信号光の導波方向と直交する方向で容易に発振を起こさせることが可能となり、素子サイズの増大を抑制しつつ、半導体光増幅器の利得を一定に保つことができる。
【００２１】
また、請求項８記載の半導体光増幅器によれば、前記光導波路は、前記基板上に形成された活性層と、前記活性層上に形成されたクラッド層とを備え、前記電流ブロック層に設けられた屈折率の高い層のバンドギャップは、前記活性層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする。
これにより、活性層を光が導波する場合に比べて、電流ブロック層を光が導波する場合の吸収損失を抑えることが可能となり、信号光の導波方向と直交する方向での吸収損失を抑制することができる。このため、光導波路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、信号光の導波方向と直交する方向で容易に発振を起こさせることが可能となり、素子サイズの増大を抑制しつつ、半導体光増幅器の利得を一定に保つことが可能となるとともに、素子サイズの増大を抑制することができる。
【００２２】
また、請求項９記載の半導体光増幅器によれば、前記電流ブロック層は、前記光導波路と直交する方向に光を反射させる回折格子を備えることを特徴とする。
これにより、素子の切り出し後に共振部に高反射膜を形成することなく、信号光の導波方向と直交する方向に光を反射させることが可能となり、製造プロセスの煩雑化を抑制しつつ、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。
【００２３】
また、請求項１０記載の半導体光増幅器によれば、前記回折格子は、前記光導波路と直交する方向に配列され、前記電流ブロック層の屈折率の高い層と屈折率が異なる埋め込み層を備えることを特徴とする。
これにより、フォトリソグラフィ技術およびエッチング加工技術を用いることにより、電流ブロック層に回折格子を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しつつ、半導体光増幅器の利得を一定に保つことが可能となるとともに、素子サイズの増大を抑制することができる。
【００２４】
また、請求項１１記載の半導体光増幅器によれば、基板上に形成され、信号光を増幅する活性層が設けられた光導波路と、前記光導波路から続いている活性層に形成され、前記光導波路と直行するように光を反射させる回折格子とを備えることを特徴とする。
これにより、回折格子が形成された領域にも利得を持たせることができ、信号光の導波方向と異なる方向で発振を容易に起こさせることができる。このため、信号光の波長多重数などの変化などにより信号光強度が変動した場合においても、活性層のキャリア密度を一定に保つことができ、半導体光増幅器の利得を一定値にクランプさせることが可能となる。
【００２５】
また、請求項１２記載の半導体光増幅器によれば、基板上に形成され、信号光を増幅する光導波路と、前記基板上に形成され、前記光導波路と並列に配置された活性領域と、前記活性領域に形成され、前記光導波路と交差するように光を反射させる回折格子とを備えることを特徴とする。
これにより、回折格子が形成された領域にも利得を持たせることができ、信号光の導波方向と異なる方向で発振を容易に起こさせることができる。このため、信号光の波長多重数などの変化などにより信号光強度が変動した場合においても、活性層のキャリア密度を一定に保つことができ、半導体光増幅器の利得を一定値にクランプさせることが可能となる。
【００２６】
また、請求項１３記載の半導体光増幅器によれば、前記基板上に形成され、前記光導波路と前記活性領域とを分離する電流ブロック層をさらに備えることを特徴とする。
これにより、光導波路への電流注入と回折格子が形成された活性領域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、光導波路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できる。
また、請求項１４記載の半導体光増幅器によれば、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】
【００２７】
以上説明したように、本発明によれば、光導波路に交差するように共振部を配置することにより、光導波路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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態に係る半導体光増幅器について図面を参照しながら説明する。
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る。
図１において、ｎ−ＩｎＰ基板５０１上には、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２がストライプ状に形成されている。そして、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２の両側は、ｎ−ＩｎＰ基板５０１上に順次積層されたｐ−ＩｎＰ電流ブロック層５０３およびｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層５０４にて埋め込まれている。なお、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層５０４のバンドギャップ波長はＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２のバンドギャップ波長よりも短波、すなわち、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層５０４のバンドギャップはＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２のバンドギャップよりも大きくなるように設定することが好ましい。
【００２９】
ここで、ｎ−ＩｎＰ基板５０１とｐ−ＩｎＰクラッド層５０５との間にＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２を形成することにより、信号光を増幅する光導波路を構成することができる。また、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層５０３およびｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層５０４にてＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２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。
ここで、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層５０４には、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２と直交する方向に光を反射させる回折格子が形成されている。すなわち、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層５０４には、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２と直交する方向に所定間隔で配列されたｎ−ＩｎＰ埋め込み層５１０が形成されている。
【００３０】
そして、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２およびｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層５０４上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層５０５が形成され、ｐ−ＩｎＰクラッド層５０５上にはｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層５０６が形成されている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層５０６上にはｐ側電極５０７が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板５０１の裏面にはｎ側電極５０８が形成されている。ここで、ｐ側電極５０７はＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２の形状に対応してパターニングされるとともに、ｐ側電極５０７にはボンディングパッド５０７ａが接続されている。そして、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層５０６上には、ｐ側電極５０７およびボンディングパッド５０７ａが露出するようにして、シリコン酸化膜などの絶縁膜５０９が形成されている。また、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２が設けられた光導波路の両端面には、反射防止膜（ＡＲコート）が施されている。
【００３１】
なお、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層５０３、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層５０４、ｐ−ＩｎＰクラッド層５０５およびｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層５０６をｎ−ＩｎＰ基板５０１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。
【００３２】
そして、ｐ側電極５０７に電圧を印加することにより、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層５０４にて電流を狭窄させながら、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２に電流を注入することができる。そして、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２に電流が注入されると、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２にて発光させることができる。そして、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２にて生成された光は、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２の両側のｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層５０４にて反射され、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２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、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２と直交する方向にレーザ発振が起こると、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２に入射された信号光強度が変動した場合においても、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２のキャリア密度を一定に保つことができ、半導体光増幅器の利得を一定値にクランプさせることができる。
【００３３】
そして、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２に信号光を入射させると、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２を導波しながら信号光が増幅され、信号光の入射面と反対側から増幅光を出射させることができる。
これにより、信号光の導波方向と異なる方向で発振を起こさせることを可能としつつ、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２の利得をクランプさせることができる。このため、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２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、利得がクランプされたＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２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。
【００３４】
ここで、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層５０４はｐ−ＩｎＰ電流ブロック層５０３およびｐ−ＩｎＰクラッド層５０５よりも屈折率が高い。このため、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層５０３とｐ−ＩｎＰクラッド層５０５との間にｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層５０４を挟み込むことにより、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層５０４をコア層とし、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層５０３およびｐ−ＩｎＰクラッド層５０５をクラッド層とするスラブ導波路を、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２の両側に形成することが可能となる。
【００３５】
このため、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層５０４における導波損失を抑制することが可能となり、信号光の導波方向と直交する方向での導波損失を低減させることを可能として、信号光の導波方向と直交する方向で容易に発振を起こさせることができる。
また、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層５０４のバンドギャップはＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２のバンドギャップよりも大きくなるように設定することにより、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層５０４を光が導波する場合の吸収損失を抑えることが可能となる。このため、信号光の導波方向と直交する方向での吸収損失を抑制することができ、信号光の導波方向と直交する方向で容易に発振を起こさせることが可能となる。
【００３６】
また、信号光の導波方向と直交する方向に光を反射させる回折格子をｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層５０４に設けることにより、素子の切り出し後にｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層５０４に高反射膜を形成することなく、信号光の導波方向と直交する方向に光を反射させることが可能となり、製造プロセスの煩雑化を抑制しつつ、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。
【００３７】
ここで、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２と直交する方向に所定間隔で配列されたｎ−ＩｎＰ埋め込み層５１０をｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層５０４に形成することにより、フォトリソグラフィ技術およびエッチング加工技術を用いて、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層５０４に回折格子を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しつつ、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。
【００３８】
なお、信号光の導波方向と直交する方向で発振を行わせた場合、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２の幅が狭いと、信号光の導波方向と直交する方向での利得が小さくなり、信号光の導波方向と直交する方向での発振が起こり難くなる。このため、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層５０４に形成された回折格子の反射率を高める必要があり、回折格子の凹部と凸部の屈折率差を大きくとるか、回折格子の深さを深くすることが好ましい。
【００３９】
図２は、図１の半導体光増幅器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２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２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。
【００４０】
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、デバイスの横幅のほぼ半分が回折格子長Ｌとなる。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Ｌは短い方が好ましい。例えば、回折格子長Ｌ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Ｌ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。
【００４１】
なお、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２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。さらに、材料に関しても、ＩｎＰおよびＧａＩｎＡｓＰの組み合わせに限定されることなく、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＡｓＰなど他の半導体材料を用いるようにしてもよい。
【００４２】
ただし、発振光のエネルギーよりも禁制帯幅が小さくなると吸収が大きくなるため、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層５０３およびｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層５０４の代わりに用いられる半導体材料の禁制帯幅は、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０２の代わりに用いられる半導体材料の禁制帯幅よりも大きい方が好ましい。また、ｎ−ＩｎＰ埋め込み層５１０の代わりに用いられる半導体材料の屈折率は、その周りの材料の屈折率と異なることが必要である。
また、上述した実施形態では、信号光を増幅する光導波路を直線状に形成する方法について説明したが、曲がり導波路の両側に共振器構造を形成するようにしてもよい。
【００４３】
図３は、図１の半導体光増幅器の電流ブロック層のその他の構成例を示す断面図である。
図３（ａ）において、ｎ−ＩｎＰ基板ａ１上には、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層ａ２およびｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層ａ３が順次積層されている。そして、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層ａ３には、所定間隔で配列されたｎ−ＩｎＰ埋め込み層ａ１１が形成されている。そして、ｎ−ＩｎＰ埋め込み層ａ１１が埋め込まれたｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層ａ３上には、ｐ−ＩｎＰコンタクト層ａ４が形成されている。なお、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層ａ２の代わりにＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層を用いるようにしてもよい。
【００４４】
また、図３（ｂ）において、ｎ−ＩｎＰ基板ｂ１上には、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層ｂ２およびｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層ｂ３が順次積層されている。そして、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層ｂ３には、所定間隔で配列されたｎ−ＩｎＰ埋め込み層ｂ１１が形成されている。そして、ｎ−ＩｎＰ埋め込み層ｂ１１が埋め込まれたｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層ｂ３上には、ｐ−ＩｎＰコンタクト層ｂ４が形成されている。なお、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層ｂ２の代わりにＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層を用いるようにしてもよい。
【００４５】
また、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層ｂ３とｐ−ＩｎＰコンタクト層ｂ４との間には、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ層ｂ３´が挿入されている。これにより、回折格子の位置や結合係数を容易に調整することが可能となり、製造プロセスの煩雑化を抑制しつつ、信号光の導波方向と直交する方向の反射率を調整することができる。なお、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ層ｂ３´の代わりにｐ−ＧａＩｎＡｓＰ層を用いるようにしてもよい。
また、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ層ｂ３´の代わりにｎ−ＩｎＰ層を用いるようにしてもよく、これにより、電流ブロック特性を容易に調整することが可能となる。なお、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ層ｂ３´の代わりに、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ層とｎ−ＩｎＰ層との積層構造を用いるようにしてもよい。
【００４６】
また、図３（ｃ）において、ｎ−ＩｎＰ基板ｃ１上には、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層ｃ２およびｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層ｃ３が順次積層されている。そして、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層ｃ３には、所定間隔で配列されたｎ−ＩｎＰ埋め込み層ｃ１１が形成されている。そして、ｎ−ＩｎＰ埋め込み層ｃ１１が埋め込まれたｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層ｃ３上には、ｐ−ＩｎＰコンタクト層ｃ４が形成されている。なお、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層ｃ２の代わりにＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層を用いるようにしてもよい。
【００４７】
また、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層ｃ２とｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層ｃ３との間には、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ層ｃ２´が挿入されている。これにより、回折格子の位置や結合係数を容易に調整することが可能となり、製造プロセスの煩雑化を抑制しつつ、信号光の導波方向と直交する方向の反射率を調整することができる。
また、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ層ｃ２´の代わりにｎ−ＩｎＰ層を用いるようにしてもよく、これにより、電流ブロック特性を容易に調整することが可能となる。なお、図３（ｃ）のｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層ｃ３とｐ−ＩｎＰコンタクト層ｃ４との間に、図３（ｂ）のｎ−ＧａＩｎＡｓＰ層ｂ３´をさらに挿入するようにしてもよい。
【００４８】
図４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斜視図である。
図４において、ｎ−ＩｎＰ基板８０１上には、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２がストライプ状に形成されるとともに、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２と並列に配置されたＧａＩｎＡｓＰ活性層８１１が形成されている。そして、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２、８１１の側方は、ｎ−ＩｎＰ基板８０１上に順次積層されたｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８０３およびｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層８０４にて埋め込まれている。なお、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層８０４のバンドギャップ波長はＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２、８１１のバンドギャップ波長よりも短波、すなわち、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層８０４のバンドギャップはＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２、８１１のバンドギャップよりも大きくなるように設定することが好ましい。
【００４９】
ここで、ｎ−ＩｎＰ基板８０１とｐ−ＩｎＰクラッド層８０５との間にＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２を形成することにより、信号光を増幅する光導波路を構成することができる。また、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８０３およびｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層８０４にてＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２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。
【００５０】
ここで、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２、８１１の双方を介して互いに隔てられたｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層８０４には、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２と直交する方向に光を反射させる回折格子が形成されている。すなわち、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２、８１１の双方を介して互いに隔てられたｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層８０４には、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２と直交する方向に所定間隔で配列されたｎ−ＩｎＰ埋め込み層８１０が形成されている。
【００５１】
そして、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２、８１１およびｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層８０４上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層８０５が形成され、ｐ−ＩｎＰクラッド層８０５上には、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層８０６ａ、８０６ｂが形成されている。ここで、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層８０６ａはＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２の形状に対応してパターニングされている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層８０６ｂは、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８１１の端部にかからないようにして、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８１１の形状に対応してパターニングされている。
【００５２】
また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層８０６ａ上には、信号光導波路電極８０７が形成されるとともに、信号光導波路電極８０７にはボンディングパッド８０７ａが接続されている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層８０６ｂ上には、利得補助領域電極８１２が形成されるとともに、利得補助領域電極８１２にはボンディングパッド８１２ａが接続されている。そして、ｎ−ＩｎＰ基板８０１の裏面にはｎ側電極８０８が形成されている。
また、ｐ−ＩｎＰクラッド層８０５上には、信号光導波路電極８０７、利得補助領域電極８１２およびボンディングパッド８０７ａ、８１２ａが露出するようにして、シリコン酸化膜などの絶縁膜８０９が形成されている。また、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２、８１１が設けられた光導波路の両端面には、反射防止膜（ＡＲコート）が施されている。
【００５３】
そして、信号光導波路電極８０７に電圧を印加することにより、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層８０４にて電流を狭窄させながら、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２に電流を注入することができる。そして、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２に電流が注入されると、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２にて発光させることができる。そして、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２にて生成された光は、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２の両側のｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層８０４にて反射され、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２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。
【００５４】
また、利得補助領域電極８１２に電圧を印加することにより、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層８０４にて電流を狭窄させながら、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８１１に電流を注入することができる。そして、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８１１に電流を注入することにより、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２と直交する方向で生じる発振のしきい値電流密度を制御することが可能となり、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２のキャリア密度を制御することができる。
【００５５】
そして、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２と直交する方向にレーザ発振が起こると、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２に入射された信号光強度が変動した場合においても、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２のキャリア密度を一定に保つことができ、半導体光増幅器の利得を一定値にクランプさせることができる。
そして、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２に信号光を入射させると、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２を導波しながら信号光が増幅され、信号光の入射面と反対側から増幅光を出射させることができる。
【００５６】
これにより、信号光の導波方向と異なる方向に発振光を導波させることを可能としつつ、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２の利得をクランプさせることが可能となるとともに、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２の利得を制御することが可能となる。このため、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２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ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２内で、入力信号光を所望の値に増幅させることが可能となる。この結果、半導体光増幅器の利得を調整することを可能としつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となり、波長多重光伝送システムに半導体光増幅器を用いた場合においても、波長多重数による光信号の利得変動を防止することができる。
【００５７】
また、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８１１の端部にかからないようにｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層８０６ｂおよび信号光導波路電極８０７を配置することにより、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８１１の端部に吸収領域を設けることができる。このため、本来発振させたい信号光の導波方向と直交する方向で発振が起こる前に、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８１１が信号光の導波方向と並行する方向に発振することを防止することができ、利得が一定となって信号光の導波方向と直交する方向の利得が効果的に得られなくなることを防止できる。
【００５８】
なお、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８１１は、それぞれ独立して電流注入可能な複数の領域に分離するようにしてもよく、分離されたＧａＩｎＡｓＰ活性層８１１の体積が異なるようにしてもよい。これにより、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８１１に注入される電流値をＧａＩｎＡｓＰ活性層８１１の部位に応じて異ならせることが可能となり、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８１１に電流を注入することにより、微妙な利得調整を行うことができる。
【００５９】
また、図４の実施形態では、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２およびＧａＩｎＡｓＰ活性層８１１を同一の層構造を用いて形成する方法について説明したが、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２とＧａＩｎＡｓＰ活性層８１１とは必ずしも同一の層構造を用いて形成する必要はなく、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２およびＧａＩｎＡｓＰ活性層８１１の材質が互いに異なっていてもよい。また、図４の実施形態では、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２、８１１の間にｎ−ＩｎＰ埋め込み層８１０を形成しないようにする方法について説明したが、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２、８１１の間にｎ−ＩｎＰ埋め込み層８１０を形成するようにしてもよい。
【００６０】
図５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斜視図である。
図５において、ｎ−ＩｎＰ基板９０１上には、ＧａＩｎＡｓＰ活性層９０２が積層され、ＧａＩｎＡｓＰ活性層９０２には、ＧａＩｎＡｓＰ活性層９０２が光の導波方向にストライプ状に残るようにして、ｎ−ＩｎＰ埋め込み層９１０が埋め込まれている。ここで、ｎ−ＩｎＰ埋め込み層９１０は、光の導波方向と直交する方向に周期的に配置され、光の導波方向と直交する方向に光を反射させる回折格子を構成している。そして、ｎ−ＩｎＰ埋め込み層９１０が埋め込まれたＧａＩｎＡｓＰ活性層９０２上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層９０５が形成されている。ここで、ｎ−ＩｎＰ基板９０１とｐ−ＩｎＰクラッド層９０５との間にＧａＩｎＡｓＰ活性層９０２を形成することにより、信号光を増幅する光導波路を構成することができる。また、ＧａＩｎＡｓＰ活性層９０２にｎ−ＩｎＰ埋め込み層９１０を埋め込むことにより、光の導波方向と直交する方向に光を反射させる回折格子を形成した上で、その回折格子が形成された領域に利得を持たせることができる。なお、利得を持った回折格子領域に長さは、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０２に形成されたストライプ導波路を挟む両側の回折格子にて光が反射され発振するように設定し、利得を持った片側の回折格子領域のみでは発振しないように設定することができる。
【００６１】
そして、ｐ−ＩｎＰクラッド層９０５上には、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層９０６ａ、９０６ｂが形成されている。ここで、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層９０６ａはＧａＩｎＡｓＰ活性層９０２に形成されたストライプ導波路に対応してパターニングされている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層９０６ｂは、半導体光増幅器の入出射端にかからないようにして、ｎ−ＩｎＰ埋め込み層９１０が配置された回折格子領域に対応してパターニングされている。ここで、半導体光増幅器の入出射端にかからないようにｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層９０６ｂを配置することにより、ストライプ導波路と平行な方向での発振を抑制することができる。
【００６２】
また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層９０６ａ上には、信号光導波路電極９０７が形成されるとともに、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層９０６ｂ上には、回折格子領域電極９１２、９１３が形成されている。そして、ｎ−ＩｎＰ基板９０１の裏面にはｎ側電極９０８が形成されている。また、ｐ−ＩｎＰクラッド層９０５上には、信号光導波路電極９０７および回折格子領域電極９１２、９１３が露出するようにして、シリコン酸化膜などの絶縁膜９０９が形成されている。また、ＧａＩｎＡｓＰ活性層９０２が設けられた光導波路の両端面には、反射防止膜（ＡＲコート）が施されている。
【００６３】
そして、信号光導波路電極９０７に電圧を印加することにより、ＧａＩｎＡｓＰ活性層９０２に電流を注入することができる。そして、ＧａＩｎＡｓＰ活性層９０２に電流が注入されると、ＧａＩｎＡｓＰ活性層９０２にて発光させることができる。そして、ＧａＩｎＡｓＰ活性層９０２にて生成された光は、ＧａＩｎＡｓＰ活性層９０２に形成されたストライプ導波路の両側のｎ−ＩｎＰ埋め込み層９１０にて反射され、ストライプ導波路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。
【００６４】
この時、回折格子領域電極９１２、９１３に電圧を印加することにより、ｎ−ＩｎＰ埋め込み層９１０が埋め込まれたＧａＩｎＡｓＰ活性層９０２に電流を注入することができる。これにより、ｎ−ＩｎＰ埋め込み層９１０が埋め込まれた回折格子領域に利得を持たせることができ、ストライプ導波路と直交する方向にレーザ発振を容易に起こさせることができる。
そして、ＧａＩｎＡｓＰ活性層９０２に形成されたストライプ導波路と直交する方向にレーザ発振が起こると、ＧａＩｎＡｓＰ活性層９０２に入射された信号光強度が変動した場合においても、ＧａＩｎＡｓＰ活性層９０２のキャリア密度を一定に保つことができ、半導体光増幅器の利得を一定値にクランプさせることができる。
【００６５】
そして、ＧａＩｎＡｓＰ活性層９０２に信号光を入射させると、ＧａＩｎＡｓＰ活性層９０２を導波しながら信号光が増幅され、信号光の入射面と反対側から増幅光を出射させることができる。ここで、ＧａＩｎＡｓＰ活性層９０２よりも屈折率の小さなｎ−ＩｎＰ埋め込み層９１０をＧａＩｎＡｓＰ活性層９０２に周期的に埋め込むことにより、ストライプ導波路の両側に回折格子が形成される。このため、ストライプ導波路から続くＧａＩｎＡｓＰ活性層９０２を回折格子領域の利得領域として用いた場合においても、ストライプ導波路に比べて回折格子領域の平均の屈折率を低下させることができ、ストライプ導波路に信号光を効率よく導波させることができる。
【００６６】
また、信号光導波路電極９０７および回折格子領域電極９１２、９１３を分割配置することにより、信号光導波路電極９０７および回折格子領域電極９１２、９１３への電流配分比を変化させることが可能となる。このため、ストライプ導波路と直交する方向での発振しきい値電流密度を制御することが可能となり、ストライプ導波路のキャリア密度を変化させることを可能として、信号光の利得を変化させることができる。なお、信号光導波路電極９０７および回折格子領域電極９１２、９１３が必ずしも分割配置する必要はなく、信号光導波路電極９０７および回折格子領域電極９１２、９１３を共通化してもよい。また、上述した第３実施形態では、電流注入領域を制限するために、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層９０６ａ、９０６ｂを分離する方法について説明したが、ｐ−ＩｎＰクラッド層９０５を所定の深さまでエッチングすることにより、ストライプ導波路と回折格子領域との間の分離抵抗をさらに大きくするようにしてもよい。
【００６７】
図６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斜視図である。
図６において、ｎ−ＩｎＰ基板１００１上には、ＧａＩｎＡｓＰ活性層１００２が積層され、ＧａＩｎＡｓＰ活性層１００２には、ＧａＩｎＡｓＰ活性層１００２が光の導波方向にストライプ状に残るようにして、ｎ−ＩｎＰ埋め込み層１０１０が埋め込まれている。ここで、ｎ−ＩｎＰ埋め込み層１０１０は、光の導波方向と直交する方向に周期的に配置され、光の導波方向と直交する方向に光を反射させる回折格子を構成している。そして、ＧａＩｎＡｓＰ活性層１００２に形成されたストライプ導波路と、ｎ−ＩｎＰ埋め込み層１０１０が配置された回折格子領域との間には、ｎ−ＩｎＰ基板１００１上に順次積層されたｐ−ＩｎＰ電流ブロック層１００３およびｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１００４が形成されている。
【００６８】
そして、ｎ−ＩｎＰ埋め込み層１０１０が埋め込まれたＧａＩｎＡｓＰ活性層１００２およびｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１００４上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層１００５が形成されている。ここで、ｎ−ＩｎＰ基板１００１とｐ−ＩｎＰクラッド層１００５との間にＧａＩｎＡｓＰ活性層１００２を形成することにより、信号光を増幅する光導波路を構成することができる。また、ＧａＩｎＡｓＰ活性層１００２にｎ−ＩｎＰ埋め込み層１０１０を埋め込むことにより、光の導波方向と直交する方向に光を反射させる回折格子を形成した上で、その回折格子が形成された領域に利得を持たせることができる。
【００６９】
そして、ｐ−ＩｎＰクラッド層１００５上には、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１００６ａ、１００６ｂが形成されている。ここで、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１００６ａはＧａＩｎＡｓＰ活性層１００２に形成されたストライプ導波路に対応してパターニングされている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１００６ｂは、半導体光増幅器の入出射端にかからないようにして、ｎ−ＩｎＰ埋め込み層１０１０が配置された回折格子領域に対応してパターニングされている。ここで、半導体光増幅器の入出射端にかからないようにｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１００６ｂを配置することにより、ストライプ導波路と平行な方向での発振を抑制することができる。
【００７０】
また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１００６ａ上には、信号光導波路電極１００７が形成されるとともに、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１００６ｂ上には、回折格子領域電極１０１２、１０１３が形成されている。そして、ｎ−ＩｎＰ基板１００１の裏面にはｎ側電極１００８が形成されている。また、ｐ−ＩｎＰクラッド層１００５上には、信号光導波路電極１００７および回折格子領域電極１０１２、１０１３が露出するようにして、シリコン酸化膜などの絶縁膜１００９が形成されている。また、ＧａＩｎＡｓＰ活性層１００２が設けられた光導波路の両端面には、反射防止膜（ＡＲコート）が施されている。
【００７１】
そして、信号光導波路電極１００７に電圧を印加することにより、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１００４にて電流を狭窄させながら、ＧａＩｎＡｓＰ活性層１００２に電流を注入することができる。そして、ＧａＩｎＡｓＰ活性１００２に電流が注入されると、ＧａＩｎＡｓＰ活性層１００２にて発光させることができる。そして、ＧａＩｎＡｓＰ活性層１００２にて生成された光は、ＧａＩｎＡｓＰ活性層１００２に形成されたストライプ導波路の両側のｎ−ＩｎＰ埋め込み層１０１０にて反射され、ストライプ導波路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。
【００７２】
この時、回折格子領域電極１０１２、１０１３に電圧を印加することにより、ｎ−ＩｎＰ埋め込み層１０１０が埋め込まれたＧａＩｎＡｓＰ活性層１００２に電流を注入することができる。これにより、ｎ−ＩｎＰ埋め込み層１０１０が埋め込まれた回折格子領域に利得を持たせることができ、ストライプ導波路と直交する方向にレーザ発振を容易に起こさせることができる。
【００７３】
そして、ＧａＩｎＡｓＰ活性層１００２に形成されたストライプ導波路と直交する方向にレーザ発振が起こると、ＧａＩｎＡｓＰ活性層１００２に入射された信号光強度が変動した場合においても、ＧａＩｎＡｓＰ活性層１００２のキャリア密度を一定に保つことができ、半導体光増幅器の利得を一定値にクランプさせることができる。
そして、ＧａＩｎＡｓＰ活性層１００２に信号光を入射させると、ＧａＩｎＡｓＰ活性層１００２を導波しながら信号光が増幅され、信号光の入射面と反対側から増幅光を出射させることができる。
【００７４】
ここで、ＧａＩｎＡｓＰ活性層１００２に形成されたストライプ導波路と、ｎ−ＩｎＰ埋め込み層１０１０が配置された回折格子領域との間に、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層１００３およびｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１００４を形成することにより、ストライプ導波路への電流注入と回折格子が形成された活性領域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、ストライプ導波路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できる。
【００７５】
また、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１００４をｐ−ＩｎＰ電流ブロック層１００３およびｎ−ＩｎＰ基板１００１にて挟み込むことにより、屈折率の高い層をそれよりも屈折率の低い層で挟み込むことができ、ＧａＩｎＡｓＰ活性層１００２に形成されたストライプ導波路と直交する方向に光を効率よく導波させることができる。ただし、ＧａＩｎＡｓＰ活性層１００２に形成されたストライプ導波路と、ｎ−ＩｎＰ埋め込み層１０１０が配置された回折格子領域とが近接している場合、必ずしもストライプ導波路と直交する方向に導波構造を形成する必要はない。このため、ｎ−ＩｎＰ基板１００１上に順次積層されたｐ−ＩｎＰ電流ブロック層１００３およびｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１００４を用いる代わりに、例えば、Ｆｅがドーピングされた半絶縁性ＩｎＰ層を用いるようにしてもよい。
【００７６】
なお、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層１００３およびｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１００４には、ストライプ導波路と直交する方向での反射率を高めるために、回折格子を形成するようにしてもよい。また、上述した第４実施形態では、ストライプ導波路の両側の回折格子の双方に利得を持たせる方法について説明したが、一方の回折格子をＧａＩｎＡｓＰ活性層１００２に形成することにより、一方の回折格子にのみ利得を持たせ、他方の回折格子は電流ブロック層に形成するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
上述した半導体光増幅器は、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】
【００７８】
【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である。
【図２】図１の半導体光増幅器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３】図１の半導体光増幅器の電流ブロック層のその他の構成例を示す断面図である。
【図４】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斜視図である。
【図５】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斜視図である。
【図６】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斜視図である。
【図７】図７（ａ）は、従来の半導体光増幅器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の半導体光増幅器の飽和特性を示す図である。
【図９】図９（ａ）は、従来の半導体光増幅器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の半導体光増幅器の飽和特性を示す図である。
【符号の説明】
【００７９】
５０１、ａ１、ｂ１、ｃ１、８０１、９０１、１００１  ｎ−ＩｎＰ基板
５０２、８０２、８１１、９０２、１００２、１０１１  ＧａＩｎＡｓＰ活性層
５０３、８０３、１００３  ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層
５０４、８０４、１００４  ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層
５０５、８０５、９０５、１００５  ｐ−ＩｎＰクラッド層
５０６、８０６ａ、８０６ｂ、９０６ａ、９０６ｂ、１００６ａ、１００６ｂ  ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層
５０７、９０７、１００７  上面電極
５０７ａ、８０７ａ、８１２ａ  ボンディングパッド
５０８、８０８、９０８、１００８  裏面電極
５０９、８０９、９０９、１００９  絶縁膜
５１０、ａ１１、ｂ１１、ｃ１１、８１０、９１０、１０１０  ｎ−ＩｎＰ埋め込み層
ａ２、ｂ２、ｃ２  ｐ−ＩｎＰ層
ａ３、ｂ３、ｂ３´、ｃ３  ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ層
ｃ２´  ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ層
ａ４、ｂ４、ｃ４  ｐ−ＩｎＰコンタクト層
８０７  信号光導波路電極
８１２  利得補助領域電極
９１２、９１３、１０１２、１０１３  回折格子領域電極
【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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