(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に下部クラッド層、活性層及び上部クラッド層を積層し、この上部クラッド層上に上部電極を装荷し、前記基板下に下部電極を装荷し、前記上部電極より前記活性層に電流を注入することにより、前記活性層中を伝搬する光が増幅されるようにした半導体光増幅器において、前記活性層を光の伝搬方向に並ぶ２つの活性層に分割し、一方の活性層は波長の長いバンド・ギャップ波長を中心とする利得特性を有し、他方の活性層は波長の短いバンド・ギャップ波長を中心とする利得特性を有するように、これら２つの活性層を組成成分が互いに共通でエネルギ・ギャップが互いに異なる材料で構成し、光の入射側の活性層には光の伝搬方向に層厚が減ずるテーパ部を形成し、光の出射側の活性層には光の伝搬方向とは逆方向に層厚が減ずるテーパ部を形成し、これらテーパ部を重ね合せることにより前記２つの活性層を光結合させたことにより上記一方の活性層の利得特性と上記他方の活性層の利得特性とを重ねて広帯域に平坦な利得特性を得ることを特徴とする広帯域半導体光増幅器。
【請求項２】
前記２つの活性層は前記テーパ部に連続する一定層厚部を有し、これら２つの一定層厚部は層厚が互いに等しいか近似することを特徴とする請求項１記載の広帯域半導体光増幅器。
【請求項３】
前記２つの活性層の組成成分の組成比を互いに異ならせることによりエネルギ・ギャップを互いに異ならせたことを特徴とする請求項１又は２記載の広帯域半導体光増幅器。
【請求項４】
前記上部電極を前記２つの活性層の中間部分の上部で分離し、分離されたそれぞれの上部電極より独立に電流を注入するようにしたことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の広帯域半導体光増幅器。
【請求項５】
前記上部電極を前記出射側活性層の上部で分離し、出射端に近いほうに分離された上部電極に逆方向電圧を印加することにより、前記出射側活性層の出射端側を可飽和吸収部としたことを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の広帯域半導体光増幅器。
【請求項６】
前記活性層の入出射端に窓領域を設けたことを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の広帯域半導体光増幅器。
【請求項７】
前記活性層をバルク構造、量子井戸構造又は歪量子井戸構造としたことを特徴とする請求項１〜６いずれか記載の広帯域半導体光増幅器。
【請求項８】
前記２つの活性層間に障壁層を設けたことを特徴とする請求項１〜７いずれか記載の広帯域半導体光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、活性層に電流を注入することにより、活性層中を伝搬する光が増幅されるようにした半導体光増幅器に係り、特に、広帯域に亘って平坦な利得特性を有する広帯域半導体光増幅器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
波長多重伝送を用いた高速、大容量、長距離伝送方式及びそれに用いる光デバイスの研究開発が活発に行われている。上記方式を実現する上で広帯域な光増幅器は必須のデバイスである。この光増幅器として小型化、低コスト化が期待できる半導体光増幅器が注目され、その広帯域化のための構成に関する提案が多く行われるようになってきた。その一つに、図７に示すものがある（特開平４−２９１９８３号）。これは、半導体光増幅器において、活性層４３ａ，４３ｂと光導波路４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂの一方又はその両方の光の進行方向の途中に単数又は複数の屈折率が変化する部分を備え、これらの屈折率が変化する部分の間で各々が光結合した複合共振器が形成されるよう構成したものである。また、上記それぞれの複合共振器に電極４６ａ，４６ｂを設け、各電極から注入する電流によって複合共振器の共振ピークを独立に制御できるように構成したものである。
【０００３】
また、別の広帯域化のための構成として、図８に示されるように、活性層６４を２層以上の積層構造（６６，６８）とし、上記活性層を構成する各層６６，６８を同一の組成成分であるがエネルギ・ギャップが互いに異なる材料で構成し、各層の膜厚を互いに同一の値とするか又は互いに近い値とする構成が提案されている（特開平３−７６１８６号）。そして、各層のエネルギ・ギャップを各層の材料の組成比を変えることによって異なる値に設定してもよいように提案されている。
【０００４】
さらに、特開平６−２８３８２４号には、活性領域が光閉じ込め層と、少なくとも一層が他層と厚さが相違し、かつ格子不整合とされた複数の量子井戸層と、各量子井戸層間に量子井戸層に接して形成された障壁層とで構成されたものも提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体光増幅器の広帯域化方式には次のような課題がある。
【０００６】
（１）図７の構成は、２０〜３０ｎｍの波長範囲では、ある程度の平坦な利得特性を得ることが可能と考えられるが、それよりも広帯域化は期待できない。なぜならば、第一共振器の活性層の材料と第二共振器の活性層の材料とが同じであるからである。また、これら２つの共振器の材料を異ならせることが製法上難しいからである。
【０００７】
（２）図８の構成では活性層６４をエネルギ・ギャップの異なる２層以上の積層構造とすることによって広帯域化を図るものであるが、積層された活性層の全厚みを必然的に厚くしなければならないので、厚み方向の光閉じ込め効果が弱くなると共に、しきい値電流の上昇などにより光出力の減少を招く。
【０００８】
（３）特開平６−２８３８２４号の構成も（２）と同様の問題点がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、広帯域に亘って平坦な利得特性を有する広帯域半導体光増幅器を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、基板上に下部クラッド層、活性層及び上部クラッド層を積層し、この上部クラッド層上に上部電極を装荷し、前記基板下に下部電極を装荷し、前記上部電極より前記活性層に電流を注入することにより、前記活性層中を伝搬する光が増幅されるようにした半導体光増幅器において、前記活性層を光の伝搬方向に並ぶ２つの活性層に分割し、一方の活性層は波長の長いバンド・ギャップ波長を中心とする利得特性を有し、他方の活性層は波長の短いバンド・ギャップ波長を中心とする利得特性を有するように、これら２つの活性層を組成成分が互いに共通でエネルギ・ギャップが互いに異なる材料で構成し、光の入射側の活性層には光の伝搬方向に層厚が減ずるテーパ部を形成し、光の出射側の活性層には光の伝搬方向とは逆方向に層厚が減ずるテーパ部を形成し、これらテーパ部を重ね合せることにより前記２つの活性層を光結合させたことにより上記一方の活性層の利得特性と上記他方の活性層の利得特性とを重ねて広帯域に平坦な利得特性を得たものである。
【００１１】
前記２つの活性層は前記テーパ部に連続する一定層厚部を有し、これら２つの一定層厚部は層厚が互いに等しいか近似してもよい。
【００１２】
前記２つの活性層の組成成分の組成比を互いに異ならせることによりエネルギ・ギャップを互いに異ならせてもよい。
【００１３】
前記上部電極を前記２つの活性層の中間部分の上部で分離し、分離されたそれぞれの上部電極より独立に電流を注入するようにしてもよい。
【００１４】
前記上部電極を前記出射側活性層の上部で分離し、出射端に近いほうに分離された上部電極に逆方向電圧を印加することにより、前記出射側活性層の出射端側を可飽和吸収部としてもよい。
【００１５】
前記活性層の入出射端に窓領域を設けてもよい。
【００１６】
前記活性層をバルク構造、量子井戸構造又は歪量子井戸構造としてもよい。
【００１７】
前記２つの活性層間に障壁層を設けてもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１９】
図１に示されるように、本発明の広帯域半導体光増幅器は、ＩｎＰ（ｎ+ ）基板１上に、下部クラッド層となるＩｎＰ（ｎ）クラッド層２、活性層３、上部クラッド層となるＩｎＰ（ｐ）クラッド層４、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５を積層し、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５上に上部電極６を装荷し、ＩｎＰ（ｎ+ ）基板１下に下部電極７を装荷したものである。８−１，８−２は、光の入射端面及び出射端面に施した無反射コーティング層、９は、しきい値電流以下の順方向電流Ｉｋを注入する端子である。１０は、入射端面へ入射させる信号光を示し、１１は、出射端面より出射される増幅された信号光を示す。
【００２０】
本発明の特徴として、活性層３が光の伝搬方向に並ぶ２つの活性層３−１，３−２に分割されている。光の入射側に位置する活性層３−１を入射側活性層と呼び、出射側に位置する活性層３−２を出射側活性層と呼ぶことにする。これら２つの活性層３−１，３−２は、組成成分が互いに共通でエネルギ・ギャップが互いに異なる材料で構成されている。即ち、入射側活性層３−１は、組成成分としてＩｎ，Ｇａ，Ａｓ，Ｐを有し、バンド・ギャップ波長がλｈとなるような材料Ｉｎ1-x Ｇａx Ａｓ1-y Ｐy で構成され、出射側活性層３−２は、組成成分としてＩｎ，Ｇａ，Ａｓ，Ｐを有し、バンド・ギャップ波長がλｌとなるような材料Ｉｎ1-t Ｇａt Ａｓ1-u Ｐu で構成されている。バンド・ギャップ波長λｈは、バンド・ギャップ波長λｌよりも長いものとする。
【００２１】
また、本発明の特徴として、２つの活性層３−１，３−２は、上面と下面とがＩｎＰ（ｎ+ ）基板１に平行な一定層厚部１３ａ，１４ａと、この一定層厚部１３ａ，１４ａに連なりそれぞれ先細りしたテーパ部１３ｂ，１４ｂとを有する。２つの活性層３−１，３−２は、テーパ部１３ｂ，１４ｂを互いに接し合うように重ね合せて光結合されている。テーパ部１３ｂは、ＩｎＰ（ｎ+ ）基板１に平行な下面と、厚さがなくなるまで傾斜した上面とを有し、テーパ部１４ｂは、基板１に平行な上面と、厚さがなくなるまで傾斜した下面とを有し、これらテーパ部１３ｂ，１４ｂは、互いに基板１に平行な面同士を合わせてある。
【００２２】
このようにバンド・ギャップ波長の異なる２種類の活性層３−１，３−２をカスケードに構成し、互いのテーパ部１３ｂ，１４ｂを重ね合せることにより、両活性層３−１，３−２を光結合させてある。テーパ部１３ｂ，１４ｂを重ね合せた部分を結合領域１５と呼ぶことにする。
【００２３】
図１の構成により、広帯域半導体光増幅器は、図２に示すような利得特性を得ることができる。即ち、波長の長いバンド・ギャップ波長λｈを中心とする入射側活性層３−１による利得特性と、波長の短いバンド・ギャップ波長λｌを中心とする出射側活性層３−２による利得特性とを重ねて、広帯域にわたって平坦な利得特性が得られる。
【００２４】
２つの活性層３−１，３−２のバンド・ギャップ波長λｈ，λｌを異ならせる方法として、材料Ｉｎ1-x Ｇａx Ａｓ1-y Ｐy 及び材料Ｉｎ1-t Ｇａt Ａｓ1-u Ｐu のｘ，ｙ，ｔ，ｕの値を異ならせる。即ち、共通の組成成分を有するがエネルギ・ギャップが異なる材料で２つの活性層３−１，３−２を構成する。すなわち、Ｉｎ1-x Ｇａx Ａｓ1-y Ｐy （Ｉｎ1-t Ｇａt Ａｓ1-u Ｐu ）のバンド・ギャップ（エネルギ・ギャップ）Ｅｇと組成ｘ（ｔ），ｙ（ｕ）の間には
0004005705.tif 000002
の関係があり、またバンド・ギャップＥｇが小さい程、バンド・ギャップ波長λｇは大きくなることが知られている。したがって、上記関係より、バンド・ギャップ波長λｈ，λｌを設定し、これからエネルギ・ギャップＥｇが決まり、このＥｇが決まれば、ｘ，ｙ，ｔ，ｕの値を定めることができる。
【００２５】
また、バンド・ギャップ波長λｈ，λｌを異ならせる方法として、材料の組成比を異ならせるようにしてもよい。即ち、２つの活性層３−１，３−２のＩｎ1-x Ｇａx Ａｓ1-y Ｐy ，Ｉｎ1-t Ｇａt Ａｓ1-u Ｐu の４元素の組成をｘ＝１，ｔ＝１としてＩｎＧａＡｓ1-y Ｐy ，ＩｎＧａＡｓ1-u Ｐu の３元素組成としてもよい。
【００２６】
テーパ部１３ｂ，１４ｂを重ね合せて構成した結合領域１５は、活性層３−１内に入射して伝搬する信号光１０が、活性層３−２に効率良く光結合して伝搬して増幅された信号光１１として出射されるように設けたものである。逆に、無反射コーティング層８−２の側から信号光を入射させて無反射コーティング層８−１の側から増幅された信号光を出射するようにしてもよく、この場合でも、結合領域１５により効率良く光結合させることができる。
【００２７】
ＩｎＰ（ｎ）クラッド層２は、下面がＩｎＰ（ｎ+ ）基板１に接し、上面が活性層３−１（一定層厚部１３ａ）、テーパ部１４ｂ、活性層３−２（一定層厚部１４ａ）に接するため層厚が変化している。ＩｎＰ（ｐ）クラッド層４は、下面が活性層３−１（一定層厚部１３ａ）、テーパ部１３ｂ、活性層３−２（一定層厚部１４ａ）に接し、上面がＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５に接するが、上面も下面も活性層３に倣って変化し、層厚は一定である。ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５及び上部電極６も、それぞれ、層厚は一定である。なお、ＩｎＰ（ｐ）クラッド層４の上面をＩｎＰ（ｎ+ ）基板１と平行に形成しても良い。
【００２８】
次に、本発明の広帯域半導体光増幅器の他の実施形態を説明する。
【００２９】
図３に広帯域半導体光増幅器の活性層３の水平断面を示す。図３（ａ）の実施形態では、光の入射端から出射端まで活性層３の幅は一定である。図３（ｂ）、図３（ｃ）の実施形態では、結合領域１５において活性層３の幅が中央で括れるように両テーパ状に形成されている。この活性層３の幅を狭めた部分を幅狭め領域１６と呼ぶことにする。このように幅狭め領域１６を設けることによって、結合領域１５での光の閉じ込めを弱くし、これによって入射側活性層３−１から出射側活性層３−２への結合効果を高めることができる。
【００３０】
また、図３（ｂ）、図３（ｃ）の実施形態では、活性層３の入射端と出射端とに、活性層３が途切れた形のいわゆる窓領域１７−１，１７−２が設けられている。窓領域１７−１，１７−２は、活性層３を水平方向に挟むクラッド層１７と同じ材料でクラッド層１７と連続一体的に形成されている。窓領域１７−１，１７−２を設けることによって、入射光の偏波方向によらず安定でしかも帯域の広い利得特性を実現することができる。
【００３１】
なお、図３（ｂ）の広帯域半導体光増幅器は、各活性層３−１，３−２の幅が窓領域１７−１，１７−２に向かって細くなるようテーパ状に形成されている。このようなデーパ状構造によって活性層内を伝搬する信号の光ビームスポット径を大きくし、入出射端面に配置される光ファイバとの光結合効率を向上させることができる。これに対し、図３（ｃ）の広帯域半導体光増幅器は、各活性層３−１，３−２の幅が幅狭め領域１６以外は一定に形成されている。
【００３２】
なお、活性層３−１の一定層厚部１３ａの層厚と活性層３−２の一定層厚部１４ａの層厚とは、互いに等しいか近似させた値にするのが好ましい。というのは、これらの層厚が互いに異なると、図２に示した、活性層３−１，３−２の利得の波長特性の利得値が相違したり、波長特性が非対称になったりして、結果的にトータルの利得波長特性の平坦性が得にくくなるからである。
【００３３】
図４に示した広帯域半導体光増幅器の別の実施形態では、２つの活性層３−１，３−２の中間部分（結合領域１５）の上部に電極分離溝１８を設けることにより、上部電極６が２つに分離されている。入射側活性層３−１の上部に分離される上部電極６−１には端子９−１より電流Ｉｋ1 を注入し、これとは独立に、出射側活性層３−２の上部に分離される上部電極６−２には端子９−２より電流Ｉｋ2 を注入する。これにより、広帯域半導体光増幅器は、第一増幅部１９と第二増幅部２０とを有することになる。それぞれの注入電流Ｉｋ1 ，Ｉｋ2 を独立に調節することにより、トータルの利得波長特性を広帯域に亘って平坦にさせることができる。
【００３４】
図５に示した広帯域半導体光増幅器の別の実施形態では、２つの電極分離溝１８−１，１８−２を設けることにより、上部電極６が３つに分離されている。電極分離溝１８−１は結合領域１５の上部に設けられ、電極分離溝１８−１よりも入射端側の上部電極６は、図４と同様、入射側活性層３−１の上部に分離される上部電極６−１である。電極分離溝１８−２は、出射側活性層の上部に設けられ、電極分離溝１８−２よりも結合領域１５側の上部電極６は上部電極６−２、電極分離溝１８−２よりも出射端側の上部電極６は上部電極６−３である。これにより、広帯域半導体光増幅器は、第一増幅部１９と第二増幅部２０と可飽和吸収部２１とを有することになる。可飽和吸収部２１の上部電極６−３には、端子９−３より逆方向電圧−Ｖｋを印加する。可飽和吸収部２１は、増幅された信号光に含まれる雑音、特に自然放出光による雑音を低減する役目を担う。この雑音低減量は逆方向電圧−Ｖｋの値によって制御することができる。即ち、Ｖｋの値を大きくすることによって、雑音成分をより強く吸収させて減少させることができる。この構成は、図１、図４の構成に比し、利得の値、利得の波長特性及び雑音特性のそれぞれに対し制御性がある（制御できる範囲が広い、制御がしやすい）。
【００３５】
図１、図３、図４及び図５において、活性層３にはバルク構造、量子井戸構造又は歪量子井戸構造のいずれを用いてもよい。活性層３に歪量子井戸構造を用いると、利得の偏波依存性を低く抑えることができる。
【００３６】
また、２つの活性層３−１，３−２間に障壁層を設けてもよい。障壁層を設けると広帯域化と低偏波依存化を促進できることとが知られていが、２つの活性層３−１，３−２間に障壁層を挿入することによって、さらに広帯域化と低偏波依存化とを実現することができる。
【００３７】
本発明は、ここまでの実施形態に限定されない。例えば、図６に示されるように、入射側活性層３−１の下面及び出射側活性層３−２の上面に、ＩｎＧａＡｓＰ光導波路２２−１，２２−２を設け、かつこれら導波路２２−１，２２−２の屈折率を各活性層３−１，３−２の屈折率よりも低い値に設定しておくようにしてもよい。このような構成にすると、各活性層３−１，３−２の結晶成長が容易となる。また、入射側活性層３−１から出射側活性層３−２への光の伝搬を効率良く行わせることができる。
【００３８】
図１、図３、図４、図５及び図６の構成において、広帯域半導体光増幅器の入射端と出射端とにスポットサイズ変換用の光導波部を設けてもよい。スポットサイズ変換用の光導波部は、光導波路のコア断面積を目的のスポットサイズになるように徐々に変化させたものであり、例えば、広帯域半導体光増幅器の活性層３の層厚と同じ厚さのコアを入出射用の光ファイバのスポットサイズに近づくように徐々に小さく変化させてある。このようにすると、光導波部と光ファイバとの光結合が効率よく、かつ光導波部と広帯域半導体光増幅器との光結合が効率よくなるので、光ファイバと広帯域半導体光増幅器との光結合が効率よくなる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００４０】
（１）活性層を２つの活性層に分割し光の伝搬方向に並べることにより、波長帯の異なる２つの光増幅部をカスケード状につなぐことができ、しかも、この２つの光増幅部は一体化されているので、今までにない超広帯域半導体光増幅器を実現することができる。
【００４１】
（２）製造については従来技術を用いて行うことができるので、低コスト化を期待できる。
【００４２】
（３）上部電極を分離することにより、２つの光増幅部をそれぞれ独立に制御できるので、平坦な利得特性を得ることができる。
【００４３】
（４）２つの活性層が両者のテーパ部の重ね合せによる非常に効率のよい結合領域で結合され、しかも結合領域からの反射光は生じない構造であるので、安定な光増幅器を実現することができる。
【００４４】
（５）可飽和吸収部を構成することにより、広帯域特性の他に低雑音特性も得ることができるので、ブースター光増幅器、前置光増幅器、中継用光増幅器等に利用することができ、さらに、光受動部品の損失補償用光増幅器等に利用することができる。
【００４５】
（６）活性層の入出射端に窓領域を設けることにより、偏波依存性の極めて小さい光増幅器を実現することができる。また、活性層としてバルク構造以外に、量子井戸構造又は歪量子井戸構造を用いることができるので、低偏波依存性の光増幅器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す広帯域半導体光増幅器の光の伝搬方向に沿った垂直断面図である。
【図２】本発明の広帯域半導体光増幅器の利得波長特性図である。
【図３】本発明の他の実施形態を示す広帯域半導体光増幅器の水平断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態を示す広帯域半導体光増幅器の光の伝搬方向に沿った垂直断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態を示す広帯域半導体光増幅器の光の伝搬方向に沿った垂直断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態を示す広帯域半導体光増幅器の光の伝搬方向に沿った垂直断面図である。
【図７】従来の半導体光増幅器の光の伝搬方向に沿った垂直断面図である。
【図８】従来の半導体光増幅器の光の伝搬方向に直交する垂直断面図である。
【符号の説明】
１  ＩｎＰ（ｎ+ ）基板
２  ＩｎＰ（ｎ）クラッド層（下部クラッド層）
３  活性層
３−１  入射側活性層
３−２  出射側活性層
４  ＩｎＰ（ｐ）クラッド層（上部クラッド層）
５  ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
６、６−１、６−２  上部電極
７  下部電極
８−１、８−２  無反射コーティング層
１３ａ、１４ａ  一定層厚部
１３ｂ、１４ｂ  テーパ部
１５  結合領域
１６  幅狭め領域
１７−１、１７−２  窓領域
１８、１８−１、１８−２  電極分離溝
【図１】
0004005705.tif 000003
【図２】
0004005705.tif 000004
【図３】
0004005705.tif 000005
【図４】
0004005705.tif 000006
【図５】
0004005705.tif 000007
【図６】
0004005705.tif 000008
【図７】
0004005705.tif 000009
【図８】
0004005705.tif 000010