(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された増幅作用を有する対称マッハツェンダ干渉回路と、
前記対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの入力側に形成された入力導波路と、
前記対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの出力側及び第２アームの入力側に形成された発振光導波路と、
前記対称マッハツェンダ干渉回路の第２アームの出力側に形成された出力導波路と、
前記発振光導波路上に形成された半導体光増幅器と、
前記発振光導波路に両端に形成された反射ミラーとを備えることを特徴とする光増幅器。
【請求項２】
基板上に形成された増幅作用を有する対称マッハツェンダ干渉回路と、
前記対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの入力側に形成された入力導波路と、
前記対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの出力側及び第２アームの入力側に形成された発振光導波路と、
前記対称マッハツェンダ干渉回路の第２アームの出力側に形成された出力導波路と、
前記発振光導波路上に形成された半導体光増幅器と、
前記発振光導波路上に形成されたグレーティングとを備えることを特徴とする光増幅器。
【請求項３】
基板上に形成された増幅作用を有する対称マッハツェンダ干渉回路と、
前記対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの入力側に形成された入力導波路と、
前記対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの出力側及び第２アームの入力側に形成された発振光導波路と、
前記対称マッハツェンダ干渉回路の第２アームの出力側に形成された出力導波路と、
前記発振光導波路上に形成された半導体光増幅器と、
前記第１アームの出力側に形成された発振光導波路と、前記第２アームの入力側に形成された発振光導波路とを接続するループ導波路とを備えることを特徴とする光増幅器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光増幅器において、
前記半導体光増幅器を構成する利得媒質のバンドギャップ波長は、前記対称マッハツェンダ干渉回路を構成する利得媒質のバンドギャップ波長よりも短波長である
ことを特徴とする光増幅器。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光増幅器において、
前記半導体光増幅器を構成する利得媒質は、前記対称マッハツェンダ干渉回路を構成する利得媒質と同一の材料から構成され、
前記半導体光増幅器を構成する利得媒質の長さは、前記対称マッハツェンダ干渉回路を構成する利得媒質の長さよりも短くされ、
前記半導体光増幅器への電流注入密度は、前記対象マッハツェンダ干渉回路への電流注入密度より大きくされる
ことを特徴とする光増幅器。
【請求項６】
請求項２記載の光増幅器において、
前記グレーティングは、ブラッグ波長が、前記対称マッハツェンダ干渉回路を構成する利得媒質の利得中心波長よりも短波長である
ことを特徴とする光増幅器。
【請求項７】
基板上に形成された増幅作用を有する対称マッハツェンダ干渉回路と、
前記対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの入力側に形成された入力導波路と、
前記対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの出力側及び第２アームの入力側に形成された第１発振光導波路及び第２発振光導波路と、
前記対称マッハツェンダ干渉回路の第２アームの出力側に形成された出力導波路と、
前記第１発振光導波路及び第２発振光導波路に入力側が接続された光結合手段と、
この光結合手段の出力側に設けられた第３発振光導波路と、
この第３発振光導波路に形成された半導体光増幅器と、
前記第３発振光導波路に形成された反射ミラーと
を備えることを特徴とする光増幅器。
【請求項８】
請求項７記載の光増幅器において、
前記半導体光増幅器を構成する利得媒質のバンドギャップ波長は、前記増幅手段を構成する利得媒質のバンドギャップ波長よりも短波長である
ことを特徴とする光増幅器。
【請求項９】
請求項７記載の光増幅器において、
前記半導体光増幅器を構成する利得媒質は、前記増幅手段を構成する利得媒質と同一の材料から構成され、
前記半導体光増幅器を構成する利得媒質の長さは、前記増幅手段を構成する利得媒質の長さよりも短くされ、
前記半導体光増幅器への電流注入密度は、前記増幅手段への電流注入密度より大きくされる
ことを特徴とする光増幅器。
【請求項１０】
基板上に形成された増幅作用を有する対称マッハツェンダ干渉回路と、
前記対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの入力側に形成された入力導波路と、
前記対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの出力側及び第２アームの入力側に形成された第１発振光導波路及び第２発振光導波路と、
前記対称マッハツェンダ干渉回路の第２アームの出力側に形成された出力導波路と、
前記第１発振光導波路及び第２発振光導波路に入力側が接続された光結合手段と、
この光結合手段の出力側に設けられた第３発振光導波路と、
この第３発振光導波路に形成された半導体光増幅器と、
前記第３発振光導波路に形成されたグレーティングと
を備えることを特徴とする光増幅器。
【請求項１１】
請求項１０記載の光増幅器において、
前記グレーティングは、ブラッグ波長が、前記対称マッハツェンダ干渉回路を構成する利得媒質の利得中心波長よりも短波長である
ことを特徴とする光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光増幅器に関し、特に、光通信，光交換，光情報処理などの光伝送システムに適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
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分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）を利用した光伝送システム（ＷＤＭシステム）がある。さらに、このＷＤＭシステムでは、１対１の伝送のみならず、ネットワーク化が急速に進みつつある。
【０００３】
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。
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。
【０００４】
図４は、従来の半導体光増幅素子（非特許文献１参照）の第１構成例を示す断面図である。なお、図４（ａ）は信号光の伝搬方向に沿って図４（ｂ）のＢ−Ｂ断面で切断した図、図４（ｂ）は信号光の伝搬方向に垂直方向に図４（ａ）のＡ−Ａ’断面で切断した図を示し、従来の半導体光増幅素子（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。
【０００５】
図４において、ｎ−ＩｎＰ基板１０１の上には、利得媒質であるＩｎＧａＡｓＰ活性層１０２がストライプ状に形成され、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１０２は、ｐ−ＩｎＰ層１０３及びｎ−ＩｎＰ層１０４により埋め込まれている。
ＩｎＧａＡｓＰ活性層１０２及びｎ−ＩｎＰ層１０４上には、ｐ−ＩｎＰ層１０５が形成され、ｐ−ＩｎＰ層１０５上にはｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０６が形成されている。
また、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層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。
【０００６】
図５は、図４の半導体光増幅素子の飽和特性を示す図である。図５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、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。
【０００７】
今、波長多重数ｍの光信号が半導体光増幅素子に入射したとものとする。この場合、半導体光増幅素子の入射光強度がｍ波合計でＰ1（ｄＢｍ）になると、半導体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、半導体光増幅素子の入射光強度がｎ波合計でＰ2（ｄＢｍ）になると、半導体光増幅素子の利得はＧ2（ｄＢ）になる。
このように、図４の半導体光増幅素子をＷＤＭシステムに用いた場合、波長多重数により光信号の利得が変動する。
【０００８】
このため、従来の光増幅器では、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、発振を利用して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。
図６は、従来の半導体光増幅素子の第２構成例を示す断面図である（特許文献１参照）。図６において、ｎ−ＩｎＰ基板２０１上には、利得媒質であるＩｎＧａＡｓＰ活性層２０２がストライプ状に形成され、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２０２は、ｐ−ＩｎＰ層２０３及びｎ−ＩｎＰ層２０４により埋め込まれている。
【０００９】
ここで、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２０２の下面にはＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込め（ＳＣＨ）層２０９、上面には、ＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込め（ＳＣＨ）層２１０が形成され、ＩｎＧａＡｓＰ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。
ＩｎＧａＡｓＰ分離閉じ込め層２１０及びｎ−ＩｎＰ層２０４上には、ｐ−ＩｎＰ層２０５が形成され、ｐ−ＩｎＰ層２０５上にはｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層２０６が形成されている。
【００１０】
ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層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。
図６の半導体光増幅素子では、光信号がＩｎＧａＡｓＰ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。
【００１１】
図６に示す半導体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。
このため、図６のグレーティングを有するＤＦＢ型半導体光増幅素子では、発振が生じている限り、利得媒質（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。
【００１２】
従って、上述した発振状態では、半導体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、半導体光増幅素子の利得は一定に保たれる。また、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、半導体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、半導体光増幅素子のキャリア密度に変動が生じることがなく、半導体光増幅素子の利得を一定に保つことができる。
【００１３】
図７は、図６の半導体光増幅素子の飽和特性を示す図である。図７において、図６の半導体光増幅素子では、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。図７に示すように、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６の半導体光増幅素子では、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６の半導体光増幅素子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。
【００１４】
しかしながら、図６のＤＦＢ型半導体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。さらに、図６のＤＦＢ型半導体光増幅素子では、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。
【００１５】
このような問題を解消するために、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備え、光反射手段と利得領域とによりレーザ共振器を形成した光増幅装置が提案されている（特許文献２参照）。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入力した信号光を、信号利得がレーザ発振閾値状態にクランプされた利得領域で増幅し、増幅した信号光をレーザ発振光と分離して異なるポートから出力している。
【００１６】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を本件の出願時までに発見するには至らなかった。
【００１７】
【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
【非特許文献１】
T.Ito,N.Yoshimoto,K.Magari,K.Kishi and Y.Kondo "Extremely low power consumption semiconductor optical amplifier gate for WDM applications" Electronics Letters Vol.33 No.21,p1791(1977)
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の半導体増幅素子や光増幅装置では、信号光の利得が、レーザ発振閾値状態にクランプされてしまうため、信号光の利得を調整できないという問題があった。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、信号光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て信号光の利得を調整することが可能な光増幅器を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光増幅器は、基板上に形成された増幅作用を有する対称マッハツェンダ干渉回路と、対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの入力側に形成された入力導波路と、対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの出力側及び第２アームの入力側に形成された発振光導波路と、対称マッハツェンダ干渉回路の第２アームの出力側に形成された出力導波路と、発振光導波路上に形成された半導体光増幅器と、発振光導波路に両端に形成された反射ミラーとを備えるものである。
【００２７】
この光増幅器によれば、対称マッハツェンダ干渉回路に電流を注入するだけ、発振光導波路上で発振状態を発生させることが可能となるとともに、発振光と信号光とを空間的に分離したまま、発振光と信号光とを発振状態の利得媒質内でクロスさせることが可能となり、利得がクランプされた状態で信号光を増幅す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を不要としつつ、信号光の利得を一定値にクランプさせて、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、発振光導波路上に形成された半導体光増幅器の利得を制御するだけで、対称マッハツェンダ干渉回路でクランプされる利得を調整することが可能となり、入力光強度による利得変動を抑制しつつ、入力光強度の利得調整を行うことが可能となる。
【００２８】
本発明の他の実施の形態に係る光増幅器によれば、基板上に形成された増幅作用を有する対称マッハツェンダ干渉回路と、対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの入力側に形成された入力導波路と、対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの出力側及び第２アームの入力側に形成された発振光導波路と、対称マッハツェンダ干渉回路の第２アームの出力側に形成された出力導波路と、発振光導波路上に形成された半導体光増幅器と、発振光導波路上に形成されたグレーティングとを備えるものである。
この光増幅器によれば、グレーティングにより発振光を反射させることが可能となるとともに、グレーティングにより波長を決定することができる。
【００２９】
本発明の他の実施の形態に係る光増幅器は、基板上に形成された増幅作用を有する対称マッハツェンダ干渉回路と、対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの入力側に形成された入力導波路と、対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの出力側及び第２アームの入力側に形成された発振光導波路と、対称マッハツェンダ干渉回路の第２アームの出力側に形成された出力導波路と、発振光導波路上に形成された半導体光増幅器と、第１アームの出力側に形成された発振光導波路と、第２アームの入力側に形成された発振光導波路とを接続するループ導波路とを備えるものである。
この光増幅器によれば、発振光の損失を小さくして、発振光導波路上に形成された半導体光増幅器を利得媒体として用いるだけでなく、損失媒体としても用いることが可能となり、利得の大きな状態で光増幅器を動作させることができる。
【００３０】
上述した光増幅器において、半導体光増幅器を構成する利得媒質のバンドギャップ波長は、対称マッハツェンダ干渉回路を構成する利得媒質のバンドギャップ波長よりも短波長であっても良い。また、半導体光増幅器を構成する利得媒質は、対称マッハツェンダ干渉回路を構成する利得媒質と同一の材料から構成され、半導体光増幅器を構成する利得媒質の長さは、対称マッハツェンダ干渉回路を構成する利得媒質の長さよりも短くされ、半導体光増幅器への電流注入密度は、対象マッハツェンダ干渉回路への電流注入密度より大きくされる状態であってもよい。また、グレーティングは、ブラッグ波長が、対称マッハツェンダ干渉回路を構成する利得媒質の利得中心波長よりも短波長であればよい。
【００３３】
また、本発明の他の実施の形態に係る光増幅器は、基板上に形成された増幅作用を有する対称マッハツェンダ干渉回路と、対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの入力側に形成された入力導波路と、対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの出力側及び第２アームの入力側に形成された第１発振光導波路及び第２発振光導波路と、対称マッハツェンダ干渉回路の第２アームの出力側に形成された出力導波路と、第１発振光導波路及び第２発振光導波路に入力側が接続された光結合手段と、この光結合手段の出力側に設けられた第３発振光導波路と、この第３発振光導波路に形成された半導体光増幅器と、第３発振光導波路に形成された反射ミラーとを備えるものである。
【００３４】
この光増幅器によれば、対称マッハツェンダ干渉回路に電流が注入されると、発振光導波路の上で発振状態が発生し、発振光と信号光とが空間的に分離された状態で、発振光と信号光とが発振状態の利得媒質内でクロスし、利得がクランプされた状態で信号光が増幅される。
上記光増幅器において、半導体光増幅器を構成する利得媒質のバンドギャップ波長は、増幅手段を構成する利得媒質のバンドギャップ波長よりも短波長であればよい。また、半導体光増幅器を構成する利得媒質は、増幅手段を構成する利得媒質と同一の材料から構成され、半導体光増幅器を構成する利得媒質の長さは、増幅手段を構成する利得媒質の長さよりも短くされ、半導体光増幅器への電流注入密度は、増幅手段への電流注入密度より大きくされるものであればよい。
【００３５】
また、本発明の他の実施の形態に係る光増幅器は、基板上に形成された増幅作用を有する対称マッハツェンダ干渉回路と、対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの入力側に形成された入力導波路と、対称マッハツェンダ干渉回路の第１アームの出力側及び第２アームの入力側に形成された第１発振光導波路及び第２発振光導波路と、対称マッハツェンダ干渉回路の第２アームの出力側に形成された出力導波路と、第１発振光導波路及び第２発振光導波路に入力側が接続された光結合手段と、この光結合手段の出力側に設けられた第３発振光導波路と、この第３発振光導波路に形成された半導体光増幅器と、第３発振光導波路に形成されたグレーティングとを備えるものである。
【００３６】
この光増幅器によれば、対称マッハツェンダ干渉回路に電流が注入されると、発振光導波路の上で発振状態が発生し、発振光と信号光とが空間的に分離された状態で、発振光と信号光とが発振状態の利得媒質内でクロスし、利得がクランプされた状態で信号光が増幅される。なお、グレーティングは、ブラッグ波長が、対称マッハツェンダ干渉回路を構成する利得媒質の利得中心波長よりも短波長であればよい。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態に係る光増幅器の構成を示す上面図である。図１において、基板１上には、交差手段としての多モード干渉型３ｄＢカプラ（Multi-mode Interference coupler：ＭＭＩカプラ）３，６、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier：ＳＯＡ）４，５，７、入力導波路８、発振光導波路９，１０及び出力導波路１１が設けられ、基板１の端面１２，１３には、反射防止膜１４，１５が各々形成されている。
なお、反射防止膜１４，１５は、例えば、ＴｉＯ2とＳｉＯ2の多層膜から形成すればよく、反射防止膜１４，１５の残留反射率は、例えば、０．１％程度に設定することができる。
【００３８】
多モード干渉型３ｄＢカプラ３，６及び半導体光増幅器４，５は、対称マッハツェンダ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）干渉回路２を形成し、入力導波路８及び発振光導波路９は、多モード干渉型３ｄＢカプラ３と端面１２との間に各々配置され、発振光導波路１０及び出力導波路１１は、多モード干渉型３ｄＢカプラ６と端面１３との間に各々配置されている。また、発振光導波路１０には、半導体光増幅器７が設けられている。
【００３９】
以下、図１の光増幅器の動作について、半導体光増幅器４，５の利得が２０ｄＢ、半導体光増幅器７の利得が１０ｄＢの場合を例にとって説明する。
対称マッハツェンダ干渉回路２の半導体光増幅器４，５には、半導体光増幅器４，５の利得が２０ｄＢになるように、ほぼ同一の電流が注入され、発振光導波路１０に接続された半導体光増幅器７には、半導体光増幅器７の利得が１０ｄＢになるように電流が注入される。
【００４０】
ここで、半導体光増幅器４，５には、ほぼ同一の電流が注入されるため、対称マッハツェンダ干渉回路２の対称性は保存され、入力導波路８を介して対称マッハツェンダ干渉回路２に入射した光は、出力導波路１１に導かれ、発振光導波路９を介して対称マッハツェンダ干渉回路２に入射した光は、発振光導波路１０に導かれる。発振光導波路９を介して対称マッハツェンダ干渉回路２に入射した光は、多モード干渉型３ｄＢカプラ３で２分岐される。この２分岐された光は、半導体光増幅器４，５で各々２０ｄＢ増幅され、ここで２０ｄＢ増幅された光は、多モード干渉型３ｄＢカプラ６で原理損失なく発振光導波路１０に合流される。発振光導波路１０に合流された光は、半導体光増幅器７で１０ｄＢ増幅されて、基板１の端面１３に到達する。
【００４１】
反射防止膜１５の残留反射率は０．１％程度となっているため、上述したことにより端面１３に到達した光は、０．１％の反射率で反射され、発振光導波路１０を折り返して、半導体光増幅器７に再び入射する。
半導体光増幅器７に再び入射した光は、ここで１０ｄＢ増幅され、多モード干渉型３ｄＢカプラ６で２分岐される。この２分岐された光は、半導体光増幅器４，５で各々２０ｄＢ増幅され、ここで２０ｄＢ増幅された光は、多モード干渉型３ｄＢカプラ３で原理損失なく発振光導波路９に合流される。発振光導波路９に合流された光は、基板１の端面１２に到達し、反射防止膜１４の０．１％の反射率で反射される。反射防止膜１４で反射された光は、発振光導波路９を折り返して、対称マッハツェンダ干渉回路２に再び入射する。
【００４２】
発振光導波路９から対称マッハツェンダ干渉回路２に最初に入射する時の光強度と、基板１の両端面１２，１３で反射され、基板１を一往復した後で再び発振光導波路９から対称マッハツェンダ干渉回路２に入射する時の光強度とを比較すると、２０ｄＢ増幅及び１０ｄＢ増幅が往復で行われるため、利得は６０ｄＢ（すなわち１０6）となる。この光に対して、反射率０．１％（すなわち１０-3）の反射が２回行われるため、損失は１０-6となる。この結果、一往復した後の光強度は、丁度１０6×１０-6＝１となる。
【００４３】
このため、外部からの光入力が存在しなくとも、基板１内部で光を伝搬させつづけることが可能となり、基板１の端面１２から発振光導波路９、対称マッハツェンダ干渉回路２、発振光導波路１０及び半導体光増幅器７を経て端面１３に至る光路でキャビティを構成し、基板１内部で発振を生じさせることができる。
ここで、発振状態の利得媒質のキャリア密度は、しきい値キャリア密度にクランプされるため、半導体光増幅器４，５に注入する電流を増加させても、利得媒質のキャリア密度は変化しない。このため、半導体光増幅器４，５に注入する電流を増加させても、利得も変化せず、発振光Ｒｅの光強度のみが大きくなる。
【００４４】
この発振状態で、入力信号光Ｒｉが反射防止膜１４を介して入力導波路８に入射すると、入力導波路８を通って、多モード干渉型３ｄＢカプラ３に入射し、ここで入力信号光Ｒｉが２分岐される。この２分岐された光は、半導体光増幅器４、５で各々２０ｄＢ増幅され、ここで２０ｄＢ増幅された光は、多モード干渉型３ｄＢカプラ６で原理損失なく出力導波路１１に合流される。出力導波路１１に合流された光は、基板１の端面１３に到達し、そのうちの０．１％は反射防止膜１５で反射され、残りの９９．９％は反射防止膜１５を介し、出力信号光Ｒｏとして基板１外に出射される。
【００４５】
入力導波路８から対称マッハツェンダ干渉回路２を介して出力導波路１１に至る経路では、トータルの利得は片道２０ｄＢなので、端面１２，１３の残留反射０．１％が存在しても発振に至ることはなく、進行波型の光増幅動作を行わせることができる。
入力信号光Ｒｉの強度が大きくなると、発振光Ｒｅの強度が減少して半導体光増幅器４，５の内部でのトータルの光強度が一定に保たれる。このため、半導体光増幅器４，５のキャリア密度に変動が生じることはなく、利得も一定に保たれ、飽和特性は図７のようになる。従って、入力信号光Ｒｉの波長多重数が変化した場合においても、利得が変化することなく安定に動作させることが可能となる。
【００４６】
つぎに、図１の光増幅器の利得調整法について説明する。
基板１の端面１２から発振光導波路９、対称マッハツェンダ干渉回路２、発振光導波路１０及び半導体光増幅器７を経て端面１３に至る光路により構成されたキャビティでの片道での利得が，端面残留反射率の逆数になった時点で発振が始まり、利得がクランプされる。この場合、反射防止膜１４，１５の残留反射率は０．１％なので、半導体光増幅器４，５の利得と半導体光増幅器７の利得の合計が３０ｄＢとなった時点で、利得がクランプされる。
【００４７】
例えば、半導体光増幅器７の利得が１０ｄＢに設定されると、半導体光増幅器４及び半導体光増幅器５の利得は、２０ｄＢにクランプされる。
このため、半導体光増幅器７の利得を調整することにより、対称マッハツェンダ干渉回路２を構成する半導体光増幅器４，５でクランプされる利得を調整することが可能となる。
例えば、半導体光増幅器７の利得を５ｄＢとすると、半導体光増幅器４，５の利得と半導体光増幅器７の利得の合計が３０ｄＢとなるようにクランプされるので、半導体光増幅器４，５の利得は２５ｄＢにクランプされる。
【００４８】
ここで、入力信号光Ｒｉに対する利得は、半導体光増幅器４，５の利得によって決まるため、半導体光増幅器７の利得を調整することにより、半導体光増幅器４，５でクランプされる利得を制御して、入力信号光Ｒｉの波長多重数による利得変動を抑制しつつ、入力信号光Ｒｉの利得を調整することが可能となる。
【００４９】
一方、対称マッハツェンダ干渉回路２の性質により、基板１の端面１２から発振光導波路９、対称マッハツェンダ干渉回路２、発振光導波路１０及び半導体光増幅器７を経て端面１３に至る光路で構成されたキャビティ内で発振光Ｒｅが生成されているため、発振光Ｒｅが入力導波路８及び出力導波路１１に混入することはなく、信号光Ｒｉ，Ｒｏと発振光Ｒｅとを空間的に分離することが可能となる。このため、図１に示す光増幅器では、信号光Ｒｉ、Ｒｏから発振光Ｒｅを除去するための外部フィルタが不要となる。
【００５０】
なお、上述した実施の形態で用いる半導体光増幅器の構造は、特に制約を設けるものではなく、通常用いられる全ての半導体光増幅器について、本構成を用いることにより上述した効果を得ることができる。
例えば、半導体光増幅器の活性層には、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等の任意の材質の適用が可能である。
【００５１】
また、半導体光増幅器の活性層構造についても、バルク，ＭＱＷ（多重量子井戸），量子細線，量子ドットなどが適用可能である。また、活性層の上，下または両方に分離閉じ込め層を形成しても同様な効果が期待できる。また、半導体光増幅器の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、ハイメサ構造等を用いた場合でも、同様な効果が期待できる。基板についても、ｎ形基板に限定されるものではなく、ｐ形基板、半絶縁型基板等でもよい。また、上記実施の形態では、３ｄＢカプラとして、多モード干渉型３ｄＢカプラを用いた例を示したが、方向性結合器を用いてもよい。
【００５２】
＜実施の形態２＞
図２は、本発明の他の形態に係る光増幅器の構成を示す上面図である。なお、この実施の形態２では、半導体光増幅器２４，２５に発振光Ｒｅをフィードバックさせるために、グレーティング３６を用いるようにしたものである。
図２において、基板２１上には、多モード干渉型３ｄＢカプラ２３，２６、半導体光増幅器２４，２５，２７、入力導波路２８、発振光導波路２９，３０及び出力導波路３１が設けられ、基板２１の端面３２，３３には、反射防止膜３４，３５が各々形成されている。なお、反射防止膜３４、３５は、例えば、ＴｉＯ2とＳｉＯ2の多層膜から形成することができ、反射防止膜３４，３５の残留反射率は、例えば、０．１％程度に設定することができる。
【００５３】
多モード干渉型３ｄＢカプラ２３，２６及び半導体光増幅器２４，２５は、対称マッハツェンダ干渉回路２２を形成し、入力導波路２８及び発振光導波路２９は、多モード干渉型３ｄＢカプラ２３と端面３２との間に配置され、発振光導波路３０及び出力導波路３１は、多モード干渉型３ｄＢカプラ２６と端面３３との間に各々配置されている。
また、発振光導波路３０上には、半導体光増幅器２７及びグレーティング３６が設けられている。なお、発振光Ｒｅの波長は、グレーティング３６により決定され、グレーティング３６の反射率は、例えば、１％程度に設定することができる。
【００５４】
以下、図２の光増幅器の動作について、半導体光増幅器２４，２５の利得が２０ｄＢ、半導体光増幅器２７の利得が５ｄＢの場合を例にとって説明する。
対称マッハツェンダ干渉回路２の半導体光増幅器２４，２５には、半導体光増幅器２４，２５の利得が２０ｄＢになるように、ほぼ同一の電流が注入され、発振光導波路３０に接続された半導体光増幅器２７には、半導体光増幅器２７の利得が５ｄＢになるように電流が注入される。
【００５５】
ここで、半導体光増幅器２４，２５には、ほぼ同一の電流が注入されるため、対称マッハツェンダ干渉回路２２の対称性は保存され、入力導波路２８を介して対称マッハツェンダ干渉回路２２に入射した光は出力導波路３１に導かれ、発振光導波路２９を介して対称マッハツェンダ干渉回路２２に入射した光は発振光導波路３０に導かれる。
【００５６】
すなわち、発振光導波路２９を介して対称マッハツェンダ干渉回路２２に入射した光は、多モード干渉型３ｄＢカプラ２３で２分岐される。この２分岐された光は、半導体光増幅器２４，２５で各々２０ｄＢ増幅され、ここで２０ｄＢ増幅された光は、多モード干渉型３ｄＢカプラ２６で原理損失なく発振光導波路３０に合流される。発振光導波路３０に合流された光は、半導体光増幅器２７で５ｄＢ増幅されて、グレーティング３６を介して基板２１の端面３３に到達する。
【００５７】
グレーティング３６の反射率は、端面３３に形成された反射防止膜３５の残留反射率よりも大きく、実質的に反射防止膜３５の残留反射率を無視することができる。従って、発振光Ｒｅの波長は、グレーティング３６により決定される。
このため、グレーティング３６の反射率が１％程度の場合、グレーティング３６に到達した光は、１％の反射率で反射され、発振光導波路３０を折り返して、半導体光増幅器２７に再び入射する。
【００５８】
半導体光増幅器２７に再び入射した光は、ここで５ｄＢ増幅され、多モード干渉型３ｄＢカプラ２６で２分岐される。この２分岐された光は、半導体光増幅器２４、２５で各々２０ｄＢ増幅され、ここで２０ｄＢ増幅された光は、多モード干渉型３ｄＢカプラ２３で原理損失なく発振光導波路２９に合流される。発振光導波路２９に合流された光は、基板２１の端面３２に到達し、反射防止膜３４の０．１％の反射率で反射される。反射防止膜３４で反射された光は、発振光導波路２９を折り返して、対称マッハツェンダ干渉回路２２に再び入射する。
【００５９】
ここで、発振光導波路２９から対称マッハツェンダ干渉回路２２に最初に入射する時の光強度と、基板２１の端面３２及びグレーティング３６で反射され、基板２１を一往復した後再び発振光導波路２９から対称マッハツェンダ干渉回路２２に入射する時の光強度とを比較すると、２０ｄＢ増幅及び５ｄＢ増幅が往復で行われるため、利得は５０ｄＢ（すなわち１０5）となり、この光に対して、反射率０．１％（すなわち１０-3）の反射及び反射率１％（すなわち１０-2）の反射が１回ずつ行われるため、損失は１０-5となる。この結果、一往復後の光強度は、丁度１０5×１０-5＝１となる。
【００６０】
このため、外部からの光入力が存在しなくとも、基板２１内部で光を伝搬しつづけることが可能となり、基板２１の端面３２から発振光導波路２９、対称マッハツェンダ干渉回路２２、発振光導波路３０及び半導体光増幅器２７を経てグレーティング３６至る光路でキャビティを構成し、基板２１内部で発振を生じさせることができる。
【００６１】
上述した発振状態で、入力信号光Ｒｉが反射防止膜３４を介して入力導波路２８に入射すると、入射した入力信号光Ｒｉは、入力導波路２８を通って多モード干渉型３ｄＢカプラ２３に入射し、ここで２分岐される。多モード干渉型３ｄＢカプラ２３で２分岐された光は、半導体光増幅器２４，２５で各々２０ｄＢ増幅され、２０ｄＢ増幅された光は、多モード干渉型３ｄＢカプラ２６で原理損失なく出力導波路３１に合流される。出力導波路３１に合流された光は、基板２１の端面３３に到達し、端面３３に到達した光のうちの０．１％は反射防止膜３５で反射され、残りの９９．９％は反射防止膜３５を介し、出力信号光Ｒｏとして基板２１外に出射される。
【００６２】
入力導波路２８から対称マッハツェンダ干渉回路２２を介して出力導波路３１に至る経路では、トータルの利得は片道２０ｄＢであり、端面３２，３３の残留反射０．１％が存在しても発振に至ることはなく、進行波型の光増幅動作を行わせることができる。
入力信号光Ｒｉの強度が大きくなると、発振光Ｒｅの強度が減少して半導体光増幅器２４，２５内部でのトータルの光強度が一定に保たれる。このため、半導体光増幅器２４，２５のキャリア密度に変動が生じることはなく、利得も一定に保たれ、飽和特性は図７に示した状態となる。
【００６３】
例えば、半導体光増幅器２７の利得を５ｄＢに設定すると、対称マッハツェンダ干渉回路２０の利得は２０ｄＢにクランプされ、入力信号光Ｒｉの利得を２０ｄＢにクランプすることができる。
従って、入力信号光Ｒｉの波長多重数が変化した場合においても、利得が変化することなく安定に動作させることが可能となる。
【００６４】
なお、図２の光増幅器の利得調整法についても、半導体光増幅器２７の利得を調整することにより、対称マッハツェンダ干渉回路２２を構成する半導体光増幅器２４，２５でクランプされる利得を調整し、入力信号光Ｒｉに対する利得を調整することが可能となる。
【００６５】
一方、対称マッハツェンダ干渉回路２２の性質により、基板２１の端面３２から発振光導波路２９、対称マッハツェンダ干渉回路２２、発振光導波路３０及び半導体光増幅器２７を経てグレーティング３６に至る光路で構成されたキャビティ内で発振光Ｒｅが生成されているため、発振光Ｒｅが入力導波路２８及び出力導波路３１に混入することはなく、信号光Ｒｉ、Ｒｏと発振光Ｒｅとを空間的に分離することが可能となる。このため、図２の光増幅器においても、信号光Ｒｉ、Ｒｏから発振光Ｒｅを除去するための外部フィルタが不要となる。
【００６６】
なお、上述した実施の形態で用いる半導体光増幅器の構造は、特に制約を設けるものではなく、通常用いられる全ての半導体光増幅器について、本構成を用いることにより上述した効果を得ることができる。
例えば、半導体光増幅器の活性層には、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等任意の材質の適用が可能である。
【００６７】
また、半導体光増幅器の活性層構造についても、バルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットなどを適用することが可能である。また、活性層の上，下または両方に分離閉じ込め層を形成しても同様な効果が期待できる。また、半導体光増幅器の導波路構造に、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いた場合でも同様な効果が期待できる。基板についても、ｎ形基板に限定されるものではなく、ｐ形基板、半絶縁型基板などでもよい。
また、上記実施の形態では、３ｄＢカプラとして、多モード干渉型３ｄＢカプラを用いた例を示したが、方向性結合器を用いてもよい。
さらに、グレーティング３６を入力側の発振光導波路２９にも設けてもよく、半導体光増幅器２７を入力側の発振光導波路２９に設けるようにしてもよい。
【００６８】
＜実施の形態３＞
図３は、本発明の他の形態に係る光増幅器の構成を示す上面図である。図３の光増幅器では、半導体光増幅器４４，４５に発振光Ｒｅをフィードバックさせるために、ループ導波路５６を用いるようにしたものである。
図３において、基板４１上には、多モード干渉型３ｄＢカプラ４３，４６、半導体光増幅器４４，４５，４７、入力導波路４８、発振光導波路４９，５０及び出力導波路５１が設けられ、基板４１の端面５２，５３には、反射防止膜５４，５５が各々形成されている。
【００６９】
なお、反射防止膜５４，５５は、例えば、ＴｉＯ2とＳｉＯ2の多層膜から形成することができ、反射防止膜５４，５５の残留反射率は、例えば、０．１％程度に設定することができる。
多モード干渉型３ｄＢカプラ４３，４６及び半導体光増幅器４４，４５は、対称マッハツェンダ干渉回路４２を形成し、入力導波路４８及び発振光導波路４９は多モード干渉型３ｄＢカプラ４３と端面５２との間に各々配置され、発振光導波路５０及び出力導波路５１は多モード干渉型３ｄＢカプラ４６と端面５３との間に各々配置されている。また、発振光導波路５０には、半導体光増幅器４７が設けられている。
【００７０】
以下、図３の光増幅器の動作について、半導体光増幅器４４，４５の利得を２０ｄＢとし、発振光導路４９、対称マッハツェンダ干渉回路４２、発振光導路５０、半導体光増幅器４７及びループ導波路５６を経て再び発振光導路４９に至るループ型回路の損失が２０ｄＢとなるように、半導体光増幅器４７を損失媒体として用いる場合を例にとって説明する。
【００７１】
対称マッハツェンダ干渉回路４２の半導体光増幅器４４，４５には、半導体光増幅器４４，４５の利得が２０ｄＢになるように、ほぼ同一の電流が注入され、発振光導波路５０に接続された半導体光増幅器４７には、発振光導路４９、対称マッハツェンダ干渉回路４２、発振光導路５０、半導体光増幅器４７及びループ導波路５６を経て再び発振光導路４９に至るループ型回路の損失が２０ｄＢとなるように電流が注入される。
【００７２】
半導体光増幅器４４，４５には、ほぼ同一の電流が注入されるため、対称マッハツェンダ干渉回路４２の対称性は保存され、入力導波路４８を介して対称マッハツェンダ干渉回路４２に入射した光は出力導波路５１に導かれ、発振光導波路４９を介して対称マッハツェンダ干渉回路４２に入射した光は発振光導波路５０に導かれる。発振光導波路４９を介して対称マッハツェンダ干渉回路４２に入射した光は、多モード干渉型３ｄＢカプラ４３で２分岐される。
【００７３】
多モード干渉型３ｄＢカプラ４３で２分岐された光は、半導体光増幅器４４，４５で各々２０ｄＢ増幅され、ここで２０ｄＢ増幅された光は、多モード干渉型３ｄＢカプラ４６で原理損失なく発振光導波路５０に合流される。発振光導波路５０に合流された光は、半導体光増幅器４７にて、発振光導路４９、対称マッハツェンダ干渉回路４２、発振光導路５０、半導体光増幅器４７及びループ導波路５６を経て再び発振光導路４９に至るループ型回路の損失が２０ｄＢとなるように吸収損失を受ける。吸収損失を受けた光は、ループ導波路５６を経て再び発振光導路４９に至り、多モード干渉型３ｄＢカプラ４３に入射する。
【００７４】
ここで、発振光導波路４９から対称マッハツェンダ干渉回路４２に最初に入射する時の光強度と、発振光導路４９、対称マッハツェンダ干渉回路４２、発振光導路５０、半導体光増幅器４７及びループ導波路５６を経て再び発振光導波路４９から対称マッハツェンダ干渉回路４２に入射する時の光強度とを比較する。対称マッハツェンダ干渉回路４２における利得が２０ｄＢの時、発振光導路４９、対称マッハツェンダ干渉回路４２、発振光導路５０、半導体光増幅器４７及びループ導波路５６を経て再び発振光導波路４９に至るループ型回路の損失が２０ｄＢになるようにすると、このループ回路における損失と利得の積が１となる。
【００７５】
このため、外部からの光入力が存在しなくとも、基板４１内部で光を伝搬しつづけることが可能となり、発振光導路４９、対称マッハツェンダ干渉回路４２、発振光導路５０、半導体光増幅器４７及びループ導波路５６を経て再び発振光導波路４９に至る光路でキャビティを構成し、基板４１内部で発振を生じさせることができる。
【００７６】
上述した状態で、入力信号光Ｒｉが反射防止膜５４を介して入力導波路４８に入射すると、入射した入力信号光Ｒｉは、入力導波路４８を通って多モード干渉型３ｄＢカプラ４３に入射し、ここで２分岐される。多モード干渉型３ｄＢカプラ４３で２分岐された光は、半導体光増幅器４４、４５で各々２０ｄＢ増幅され、ここで２０ｄＢ増幅された光は、多モード干渉型３ｄＢカプラ４６で原理損失なく出力導波路５１に合流される。
【００７７】
出力導波路５１に合流された光は、基板４１の端面５３に到達し、端面５３に到達したうちの０．１％は、反射防止膜５５で反射され、残りの９９．９％は反射防止膜５５を介し、出力信号光Ｒｏとして基板４１外に出射される。
ここで、入力導波路４８から対称マッハツェンダ干渉回路４２を介して出力導波路５１に至る経路では、トータルの利得は片道２０ｄＢなので、端面５２、５３の残留反射０．１％が存在しても発振に至ることはなく、進行波型の光増幅動作を行わせることができる。
【００７８】
入力信号光Ｒｉの強度が大きくなると、発振光Ｒｅの強度が減少して半導体光増幅器４４、４５内部でのトータルの光強度が一定に保たれる。このため、半導体光増幅器４４、４５のキャリア密度に変動が生じることはなく、利得も一定に保たれ、飽和特性は図７のようになる。例えば、この状態で、半導体光増幅器４４、４５の注入電流を増加させても、半導体光増幅器４４、４５の利得は２０ｄＢにクランプされ、入力信号光Ｒｉの利得を２０ｄＢにクランプすることができる。従って、入力信号光Ｒｉの波長多重数が変化した場合においても、利得が変化することなく安定に動作させることが可能となる。
【００７９】
このように、ループ型回路の損失は非常に小さいため、半導体光増幅器４７を利得媒体として用いるよりも、損失媒体として用いることにより、利得の大きな状態で光増幅器を動作させることができる。
なお、図３の光増幅器の利得調整法についても、半導体光増幅器４７の利得または吸収損失を調整することにより、対称マッハツェンダ干渉回路４２を構成する半導体光増幅器４４，４５でクランプされる利得を調整し、入力信号光Ｒｉに対する利得を調整することが可能となる。
【００８０】
一方、対称マッハツェンダ干渉回路４２の性質により、発振光導路４９、対称マッハツェンダ干渉回路４２、発振光導路５０、半導体光増幅器４７及びループ導波路５６を経て再び発振光導波路４９に至る光路で構成されたキャビティ内で発振光Ｒｅが生成されているため、発振光Ｒｅが入力導波路４８及び出力導波路５１に混入することはなく、信号光Ｒｉ、Ｒｏと発振光Ｒｅとを空間的に分離することが可能となる。このため、図３の光増幅器によれば、信号光Ｒｉ，Ｒｏから発振光Ｒｅを除去するための外部フィルタが不要となる。
【００８１】
なお、上述した実施の形態で用いる半導体光増幅器の構造は、特に制約を設けるものではなく、通常用いられる全ての半導体光増幅器について、本構成を用いることにより上述した効果を得ることができる。
例えば、半導体光増幅器の活性層には、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなど任意の材質の適用が可能である。
【００８２】
また、半導体光増幅器の活性層構造には、バルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットなどが適用可能である。また、活性層の上，下または両方に分離閉じ込め層を形成しても同様な効果が期待できる。また、半導体光増幅器の導波路構造に、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いた場合でも同様な効果が期待できる。基板についても、ｎ形基板に限定されるものではなく、ｐ形基板、半絶縁型基板等でもよい。
また、上記実施の形態では、３ｄＢカプラとして、多モード干渉型３ｄＢカプラを用いた例を示したが、方向性結合器を用いてもよい。さらに、半導体光増幅器４７を入力側の発振光導波路４９に設けてもよく、半導体光増幅器４７をループ導波路５６に設けるようにしてもよい。
【００８３】
＜実施の形態４＞
つぎに、本発明の他の形態について説明する。
図８，本発明の他の形態における光増幅器の構成例を示す構成図であり、図９は、模式的な断面図である。図９において、（ａ）は、図８のＡＡ’線における断面であり、（ｂ）は、図８のＢＢ’線における断面を示している。この光増幅器は、基板３１４上に形成された半導体光増幅器（ＳＯＡ）３０１，３０２，３０５、多モード干渉型３ｄＢカプラ（Multi-mode Interference coupler, ＭＭＩカプラ）３０３，３０４、入力導波路（入力ポート）３１０、発振光導波路（ポート）３１１，３１２、出力導波路（出力ポート）３１３から構成され、これらが、導波路端面３０６と導波路端面３０７の間に配置されている。なお、導波路端面３０６，３０７には、各々反射防止膜３０８，３０９が形成されている。
【００８４】
図９に示すように、例えばｎ形のＩｎＰからなる基板３１４上の所定の領域に、利得媒質であるＩｎＧａＡｓＰからなる活性層３０１ａ，３０２ａが、所定の長さのストライプ状に形成されている。活性層３０１ａ，３０２ａは、図９の紙面の法線方向に延在している。活性層３０１ａ及び活性層３０２ａが、図８のＳＯＡ３０１及びＳＯＡ３０２に対応している。これら、活性層３０１ａ，３０２ａは、ｐ−ＩｎＰ層３２１及びｎ−ＩｎＰ層３２２からなる電流狭窄層により埋め込まれている。
【００８５】
活性層３０１ａ，３０２ａ及びｎ−ＩｎＰ層３２２の上には、ｐ−ＩｎＰからなるクラッド層３２３が形成され、クラッド層３２３上の活性層３０１ａ，３０２ａ上部領域には、各々ｐ−ＩｎＧａＡｓＰからなるキャップ層３２４が形成され、キャップ層３２４の上にはｐ側電極３２５が形成されている。また基板３１４の裏面には、ｎ側電極３２６が形成されている。
【００８６】
また、基板３１４のＳＯＡ３０１，３０２に連続する領域には、活性層３０１ａ及び活性層３０２ａに連続し、ＩｎＧａＡｓＰからなるコア３０１ｂ及びコア３０２ｂが形成されている。また、コア３０２ｂ及びコア３０２ｂ上には、クラッド層３２３が形成されている。ここで、基板３１４が下部クラッドとなり、基板３１４，コア３０１ｂ及びコア３０２ｂ，クラッド層３２３により、光導波路構造が形成されている。
【００８７】
また、図８の光増幅器においても、ＳＯＡ３０１，３０２とＭＭＩカプラ３０３，３０４により、対称マッハツェンダ(Mach-Zehnder)干渉回路３１５が形成されている。以下、この動作原理を説明する。対称マッハツェンダ干渉回路３１５の両アームに接続されたＳＯＡ３０１及び３０２には、ほぼ同一の電流が注入され、ＳＯＡ３０１，３０２ともに２０ｄＢの信号利得を有している。ＳＯＡ３０１，３０２にほぼ同一の電流が注入されているため、対称マッハツェンダ干渉回路３１５の対称性は、保存されている。対称マッハツェンダ干渉回路３１５の性質により、対称マッハツェンダ干渉回路３１５は、入力導波路３１０から入射した光は、出力導波路３１３へ、また発振光導波路３１１から入射した光は、発振光導波路３１２へ出射されるようなクロス状態となる。
【００８８】
入出力ポート３１２に接続されたＳＯＡ３０５は、１０ｄＢの利得を有するように電流値が設定されている。発振光導波路３１１から対称マッハツェンダ干渉回路３１５に入射する光の利得について考察する。発振光導波路３１１から入射した光は、ＭＭＩカプラ３０３で２分岐され、ＳＯＡ３０１，３０２で各々２０ｄＢ増幅され、ＭＭＩカプラ３０４で対称マッハツェンダ干渉回路の性質により原理損失なく発振光導波路３１２に合流される。発振光導波路３１２に合流された光は、さらにＳＯＡ３０５で１０ｄＢ増幅されて端面３０７に到達する。
【００８９】
端面３０７には、ＴｉＯ２とＳｉＯ２の多層膜からなる反射防止膜３０９が形成されている。反射防止膜３０９の残留反射率は通常０．１％程度となっているため、端面３０７に到達した光は０．１％の反射率で反射され、再びＳＯＡ３０５で１０ｄＢ増幅され、対称マッハツェンダ干渉回路３１５内に配置されたＳＯＡ３０１，３０２により２０ｄＢ増幅されて発振光導波路３１１に至り、端面３０６に形成された反射防止膜３０８の残留反射率０．１％が発振光導波路３１１から対称マッハツェンダ干渉回路３１５に入射する。
【００９０】
このように、最初に発振光導波路３１１から対称マッハツェンダ干渉回路３１５に入射する光のパワーと、素子の両端面で反射されて一往復してから再び発振光導波路３１１から対称マッハツェンダ干渉回路３１５に入射する光のパワーとを比較すると、利得は２０ｄＢ＋１０ｄＢを往復で通過するために６０ｄＢ（すなわち１０6）、損失は反射率０．１％（すなわち１０-3）を２回で１０-6となる。従って、一往復でちょうど１０6×１０-6＝１となる。
【００９１】
このことは、外部からの光入力が存在しなくとも内部で伝搬しつづけることが可能であることを示し、素子端面３０６から発振光導波路３１１、対称マッハツェンダ干渉回路３１５、発振光導波路３１２からＳＯＡ３０５を経て端面３０７に至る光路でキャビティが構成され、発振が生じているということを示している。発振状態の利得媒質のキャリア密度は、しきい値キャリア密度にクランプされるため、ＳＯＡ３０１及び３０２に注入する電流を増加させてもキャリア密度は変化せず、従って利得も変化することなく発振光の光強度のみが大きくなる。
【００９２】
このようにランプされた状態で信号光３１６が入力入力導波路３１０から入射すると、ＭＭＩカプラ３０３で２分岐され、ＳＯＡ３０１，３０２で各々２０ｄＢ増幅され、ＭＭＩカプラ３０４で対称マッハツェンダ干渉回路３１５の性質により原理損失なく合流され出力導波路３１３から出力される。この経路でのトータルの利得は、片道２０ｄＢなので、端面の残留反射０．１％が存在しても発振に至る心配はなく、進行波型の光増幅動作が行われる。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ＳＯＡ３０１，３０２の内部でのトータルの光強度が一定に保たれるため、ＳＯＡ３０１，３０２のキャリア密度に変動は生じず、利得も一定に保たれ、飽和特性は図７に示す状態となる。従って入力信号の波長多重数が変化しても利得が変化することなく安定に動作することが可能となる。
【００９３】
以下、図８に示す光増幅器における利得調整法について説明する。前述したように、素子端面３０６から発振光導波路３１１、対称マッハツェンダ干渉回路３１５、発振光導波路３１２からＳＯＡ３０５を経て端面３０７に至る光路で構成されたキャビティでの片道での利得が端面残留反射率の逆数になった時点で発振が始まり、利得がクランプされる。上記の場合、ＳＯＡ３０１またはＳＯＡ３０２の利得と、ＳＯＡ３０５の利得との合計が、３０ｄＢとなった時点で利得がクランプされる。
【００９４】
ＳＯＡ３０５の利得を１０ｄＢに設定しておけば、ＳＯＡ３０１及びＳＯＡ３０２の利得は、２０ｄＢにクランプされることになる。このように、ＳＯＡ３０５の利得を調整することにより、対称マッハツェンダ干渉回路３１５を構成するＳＯＡ３０１，３０２の利得を調整することが可能となる。例えば、ＳＯＡ３０５の利得を５ｄＢとすることにより、ＳＯＡ３０１，３０２の利得を２５ｄＢにクランプすることが可能となる。入力信号３１６に対する利得は、ＳＯＡ３０１，３０２によって決まるため、ＳＯＡ３０５の利得を調整することによりＳＯＡ３０１，３０２の利得が決定され、本発明の光増幅素子の利得が調整可能となる。
【００９５】
つぎに、発振光と信号光の波長の関係について説明する。本発明の光増幅器の動作モードは前述したように、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ＳＯＡ内部でのトータルの光強度が一定に保たれるという点に特徴がある。これは、入力信号光強度が大きくなった際に信号光を増幅するために必要なキャリアが増大するため、それまで発振光の強度を増すために消費されていたキャリアが信号光の増幅のために消費されるという現象による。
【００９６】
信号光に対する利得を大きく保ったまま上記のような動作を効率よく行うためには、発振光の波長が信号光を増幅するための利得媒質の利得中心の短波長側にあることが望ましい。従って、本実施の形態では、強度調整手段である光増幅器３０５の利得媒質のバンドギャップ波長を、信号光を増幅するための増幅手段であるＳＯＡ３０１，３０２の利得媒質のバンドギャップ波長よりも短波長となるように設定する。
【００９７】
この構成は、利得媒質（活性層）を結晶成長する際に、２度にわけて別々に成長することにより実現可能である。また、選択成長マスクを用いてマスク幅を場所により変化させることによりマスク近傍に成長する結晶に組成・あるいは厚みを場所により変化させる、いわゆる選択成長技術を用いることによっても実現することは可能である。これにより、発振光及び入力信号光に対する利得は、図１０に示すようになる。図１０において、実線は信号光を増幅するための増幅手段であるＳＯＡ３０１及びＳＯＡ３０２の利得媒質のゲインスペクトルを示し、点線は強度調整手段であるＳＯＡ３０５の利得媒質のゲインスペクトルを示している。
【００９８】
発振光は、信号光を増幅するための増幅手段であるＳＯＡ３０１またはＳＯＡ３０２及び強度調整手段であるＳＯＡ３０５を通過するため、発振光が受けるトータルの利得のスペクトルは、図１０の一点鎖線で示すように変化する。発振光は、利得が発振しきい値利得Ｇthを越えた時点で、その波長にて発振する。この結果、発振光の波長λ0は、図１０に示すように、信号光を増幅するための増幅手段であるＳＯＡ３０１及びＳＯＡ３０２の利得媒質の利得中心波長λcよりも短波長側に設定される。
【００９９】
この状態では、入力信号光の強度が増大して必要なキャリアが足りない状況が生じた際に、高エネルギーな電子、つまり短波長の利得を生み出す電子が低エネルギー側に供給されて、速やかに長波長側の利得を補うことが可能となる。このため、図８の光増幅器によれば、入力強度が変動した際の利得の時間的変動を最小限に押さえることが可能となる。
【０１００】
図８に示す光増幅器では、発振光は、対称マッハツェンダ干渉回路３１５の性質により、素子端面３０６から発振光導波路３１１、対称マッハツェンダ干渉回路３１５、発振光導波路３１２からＳＯＡ３０５を経て端面３０７に至る光路で構成されたキャビティで発振している。このため、発振光が信号光の入出力ポートである入力導波路３１０及び出力導波路３１３に混入することはなく、信号光と発振光の空間的分離がなされている。この結果、図８に示す光増幅器では、発振光を除去するための外部フィルタが不要となる。
【０１０１】
なお、上述したＳＯＡの構造は、特に制約を設けるものではなく、通常用いられる全てのＳＯＡについて本構成をとることにより上記説明のような効果が期待できる。例えば、ＳＯＡの活性層には、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなど任意の材質の適用が可能であり、活性層構造には、バルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットの適用が可能である。また、活性層の上，下または両方に分離閉じ込め層を形成しても同様な効果が期待できる。
【０１０２】
また、ＳＯＡの導波路構造に、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造などを用いた場合でも同様な効果が期待できる。基板についても、ｎ形基板に限定されるものではなく、ｐ形基板，半絶縁型基板などでも同様な効果が得られることは言うまでもない。
また，上記実施の形態では，３ｄＢカプラとして，ＭＭＩカプラを用いた例を示しているが，方向性結合器を用いてもよい。
【０１０３】
＜実施の形態５＞
図８に示す光増幅器において、強度調整手段であるＳＯＡ３０５の長さ（利得媒質の長さ）を、信号光を増幅するための増幅手段であるＳＯＡ３０１及びＳＯＡ３０２の利得媒質の長さよりも短くすることで、上述した実施の形態に示したような効果が期待できる。以下にその原理を説明する。
【０１０４】
図１１は、電流注入密度と利得スペクトルの関係を示した相関図である。図１１に示すように、電流注入密度が大きくなるに従ってい、利得中心が短波長側にシフトしていく。一般に、ＳＯＡの利得Ｇは、利得媒質の利得係数ｇ、利得媒質への光閉じ込め係数Γ、利得媒質の長さＬ及び損失aを用い、「Ｇ＝exp(Γｇ-a)Ｌ」で表される。従って、強度調整手段であるＳＯＡ３０５の利得媒質の長さＬを，信号光を増幅するための増幅手段であるＳＯＡ３０１及びＳＡＯ３０２の利得媒質の長さよりも短くすれば、ＳＯＡ３０５の利得を十分にとるためには利得係数ｇを大きくするために電流注入密度を上げる必要が生じ、これに伴い利得ピークが短波長側にシフトする。
【０１０５】
このことにより、ＳＯＡ３０５とＳＯＡ３０１及びＳＯＡ３０２の長さの比を適切な値に設定すれば、発振光が受けるトータルの利得のスペクトルは、信号光を増幅するための増幅手段であるＳＯＡ３０１またはＳＯＡ３０２の利得スペクトルと、利得中心が短波側にシフトした、強度調整手段であるＳＯＡ３０５の利得スペクトルとをそれらの長さの比に応じて足し合わせた形状となり、図１０の一点鎖線で示される状態となる。
従って、前述したように、入力強度が変動した際の利得の変動を最小限に押さえるという効果が、ＳＯＡ３０３の長さを短くするという本実施の形態についても同様に期待できる。
【０１０６】
なお、本構成で用いるＳＯＡの構造についても、図８に示す光増幅器と同様に特に制約を設けるものではなく、通常用いられる全てのＳＯＡについて本構成をとることにより上記説明のような効果が期待できる。例えば、ＳＯＡの活性層には、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなどの任意の材質の適用が可能である。活性層の構造には、バルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットが適用可能である。また、活性層の上，下または両方に分離閉じ込め層を形成しても同様な効果が期待できる。また、ＳＯＡの導波路構造には、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いれば、同様な効果が期待できる。基板についても、ｎ形基板に限定されるものではなく、ｐ形基板や半絶縁型基板などでも同様な効果が得られることは言うまでもない。
【０１０７】
＜実施の形態６＞
つぎに、本発明の他の形態について説明する。図１２は、本実施の形態における光増幅器の構成例を示す構成図であり、図１３は、模式的な断面図である。図１３において、図１３（ａ）は、図１２のＡＡ’断面を示し、図１３（ｂ）は、図１２のＢＢ’断面を示している。この光増幅器は、基板４１４上に形成されたＳＯＡ４０１，４０２及びＳＯＡ４０５、多モード干渉型３ｄＢカプラ（ＭＭＩカプラ）４０３，４０４、入力導波路４１０，発振光導波路４１１，４１２、出力導波路４１３から構成され、これらが導波路端面４０６と導波路端面４０７の間に配置されている。導波路端面４０６，４０７には各々反射防止膜４０８，４０９が形成されている。加えて、本実施の形態においては、発振光導波路４１１と発振光導波路４１２とが、ループ導波路４１８で接続されている。
【０１０８】
また、図１３に示すように、例えば、ｎ形のＩｎＰからなる基板４１４の所定の領域に、利得媒質であるＩｎＧａＡｓＰからなる活性層４０１ａ，４０２ａが、所定の長さのストライプ状に形成されている。活性層４０１ａ，４０２ａは、図１３の紙面の法線方向に延在している。活性層４０１ａ及び活性層４０２ａは、図１２のＳＯＡ４０１及びＳＯＡ４０２に対応している。これら活性層４０１ａ，４０２ａは、ｐ−ＩｎＰ層４２１及びｎ−ＩｎＰ層４２２からなる電流狭窄層により埋め込まれている。
【０１０９】
活性層４０１ａ，４０２ａ及びｎ−ＩｎＰ層４２２の上には、ｐ−ＩｎＰからなるクラッド層４２３が形成され、クラッド層４２３上の活性層４０１ａ，４０２ａ上部領域には、各々ｐ−ＩｎＧａＡｓＰからなるキャップ層４２４が形成され、キャップ層４２４の上にはｐ側電極４２５が形成されている。また、基板４１４の裏面には、ｎ側電極４２６が形成されている。
【０１１０】
また、基板４１４のＳＯＡ４０１，４０２に連続する領域には、活性層４０１ａ及び活性層４０２ａに連続するＩｎＧａＡｓＰからなるコア４０１ｂ及びコア４０２ｂが形成され、これらの上には、クラッド層４２３が形成されている。一方、基板４１４の他の領域には、ＩｎＧａＡｓＰからなるコア４１８ａが形成され、この上にもクラッド層４２３が形成されている。基板４１４が下部クラッドとなり、基板４１４，コア４０１ｂ，４０２ｂ及びコア４１８ａにより、３つの光導波路構造が形成されている。また、コア４１８ａが、ループ導波路４１８を構成している。
【０１１１】
動作原理は、発振光のキャビティが、導波路４１１、対称マッハツェンダ干渉回路４１５、導波路４１２からＳＯＡ４０５、ループ導波路４１８を経て再び導波路４１１に至るループ型回路で構成されることを除けば、図８に示す光増幅器と同様である。
【０１１２】
図１２に示す光増幅器の場合、信号光に対する利得の大きな状態で動作させるために、ループ導波路４１８の伝搬損失は大きめに設定する。例えば、ループ導波路４１８の伝搬損失は、３０ｄＢ程度に設定しておけばよい。ＳＯＡ４０５の注入電流を調整し、利得が１０ｄＢとなるようにすると、導波路４１１、対称マッハツェンダ干渉回路４１５、導波路４１２からＳＯＡ４０５、ループ導波路４１８を経て再び導波路４１１に至るループ型回路の損失が、２０ｄＢとなる。
【０１１３】
この状態では、対称マッハツェンダ干渉回路４１５における利得が２０ｄＢのとき、ループ回路における損失と利得の積が１となり、発振が生じる。この状態で、ＳＯＡ４０１，４０２の注入電流を増加させても、利得は２０ｄＢにクランプされており、図８に示す光増幅器の場合と同様に入力信号光４１６の利得も２０ｄＢにクランプされる。
【０１１４】
図１２に示す光増幅器の場合も、図８に示す光増幅器と同様な理由により、ＳＯＡ４０５の利得を調整することにより、入力信号光４１６の利得を調整することが可能であり、また発振光と信号光が空間的に分離されるために発振光を除去するためのフィルタが不要である。
【０１１５】
本構成においても、図８に示す光増幅器と同様に、強度調整手段であるＳＯＡ４０５の利得媒質のバンドギャップ波長を，信号光を増幅するための増幅手段である光増幅器４０１、４０２の利得媒質のバンドギャップ波長よりも短波長となるように設定することで、図８の光増幅器の場合と同様な理由により、入力強度が変動した際の利得の時間的変動を最小限に押さえるという効果が期待できる。
【０１１６】
本構成で用いるＳＯＡの構造も、図８に示す光増幅器の場合と同様に、特に制約を設けるものではなく、通常用いられる全てのＳＯＡについて本構成をとることにより上述した効果が期待できる。例えば、ＳＯＡの活性層には、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなどの任意の材質が適用が可能であり、活性層の構造には、バルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットが適用可能である。
【０１１７】
また、活性層の上，下または両方に分離閉じ込め層を形成しても同様な効果が期待できる。また、ＳＯＡの導波路構造に、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造などを用いれば、同様な効果が期待できる。基板についてもｎ形基板に限定されるものではなく、ｐ形基板、半絶縁型基板などでも同様な効果が得られることは言うまでもない。
【０１１８】
また、ループ導波路４１８の伝搬損失を大きく設定する代わりに、光減衰器、光変調器などをループ導波路４１８に接続しても同様な効果が期待できる。また、３ｄＢカプラとして，ＭＭＩカプラに限らず、方向性結合器を用いてもまったく同様な効果が期待できる。
【０１１９】
＜実施の形態７＞
図１２に示す光増幅器において、ＳＯＡ４０５の長さをＳＯＡ４０１及びＳＯＡ４０２の利得媒質の長さよりも短くすることで、上述した実施の形態に示したような効果が期待できる。
図１１を用いて説明したように、強度調整手段であるＳＯＡ４０５の長さを，信号光を増幅するための増幅手段であるＳＯＡ４０１及びＳＡＯ４０２の利得媒質の長さよりも短くすれば、ＳＯＡ３０５の利得を十分にとるためには利得係数を大きくするために電流注入密度を上げる必要が生じ、これに伴い利得ピークが短波長側にシフトする。
【０１２０】
このことにより、ＳＯＡ４０５とＳＯＡ４０１及びＳＯＡ４０２の長さの比を適切な値に設定すれば、発振光が受けるトータルの利得のスペクトルは、ＳＯＡ４０１またはＳＯＡ４０２の利得スペクトルと、利得中心が短波側にシフトしたＳＯＡ３０５の利得スペクトルとを、各々の長さの比に応じて足し合わせた形状となり、図１０の一点鎖線で示される状態となる。
【０１２１】
従って、前述したように、入力強度が変動した際の利得の時間的変動を最小限に押さえるという効果が、ＳＯＡ４０３の長さを短くするという本実施の形態についても同様に期待できる。
なお、本構成で用いるＳＯＡの構造についても、前述した各実施の形態における光増幅器と同様に特に制約を設けるものではなく、通常用いられる全てのＳＯＡについて本構成をとることにより上記説明のような効果が期待できる。例えば、ＳＯＡの活性層には、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなどの任意の材質の適用が可能である。活性層の構造には、バルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットが適用可能である。
【０１２２】
また、活性層の上，下または両方に分離閉じ込め層を形成しても同様な効果が期待できる。また、ＳＯＡの導波路構造には、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いれば、同様な効果が期待できる。基板についても、ｎ形基板に限定されるものではなく、ｐ形基板や半絶縁型基板などでも同様な効果が得られることは言うまでもない。
【０１２３】
＜実施の形態８＞
つぎに、本発明の他の形態について説明する。図１４は、本発明の他の形態における光増幅器の構成例を示す構成図である。この光増幅器は、基板５１４上に形成されたＳＯＡ５０１，５０２，５０５，多モード干渉型３ｄＢカプラ（ＭＭＩカプラ）５０３，５０４、入力導波路５１０，発振光導波路５１１，５１２，出力導波路５１３、及びグレーティング５１８から構成され、これらが、導波路端面５０６と導波路端面５０７との間に配置されている。導波路端面５０６，５０７には、各々反射防止膜５０８，５０９が形成されている。
【０１２４】
また、図１４の光増幅器においても、ＳＯＡ５０１，５０２とＭＭＩカプラ５０３，５０４により、対称マッハツェンダ(Mach-Zehnder)干渉回路５１５が形成されている。この動作原理は、発振光のキャビティが素子端面５０６から入力導波路５１０、対称マッハツェンダ干渉回路５１５、発振光導波路５１２からＳＯＡ５０５を経てグレーティング５１８に至る光路で構成されること、また、発振光の波長がグレーティング５１８のＢｒａｇｇ波長により決定されることを除けば、図８に示す光増幅器の場合と同様である。グレーティング５１８の反射率は、端面５０７に形成された反射防止膜５０９の残留反射率よりも大きく、実質的に反射防止膜５０９の残留反射率が無視できる。
【０１２５】
本構成の場合、例えばグレーティング５１８の反射率を１％程度に設定すると、素子端面５０６に形成された反射防止膜５０８の残留反射率０．１％としてキャビティ内のトータルの損失は、反射率１％と０．１％で１０-5となるため、対称マッハツェンダ干渉回路５１５とＳＯＡ５０５のトータルの往復利得が，５０ｄＢ、すなわち片道の利得が２５ｄＢで発振して利得がクランプされることになる。例えば、ＳＯＡ５０５の利得を５ｄＢに設定すると、対称マッハツェンダ干渉回路５１５の利得は２０ｄＢにクランプされ、入力信号光５１６の利得も２０ｄＢにクランプされる。
【０１２６】
図１４の光増幅器においても、図８に示す光増幅器と同様な理由により、ＳＯＡ５０５の利得を調整することにより入力信号光５１６の利得を調整することが可能であり、また発振光と信号光が空間的に分離されるために発振光を除去するためのフィルタが不要である。
また、グレーティング５１８のＢｒａｇｇ波長を、ＳＯＡ５０１あるいはＳＯＡ５０２の利得中心よりも短波長側に設定することにより、発振光の波長がＳＯＡ５０１あるいはＳＯＡ５０２の利得中心よりも短波長側となるため、図８の光増幅器と同様な理由により、入力強度が変動した際の利得の時間的変動を最小限に押さえるという効果が期待できる。
【０１２７】
なお、本構成で用いるＳＯＡの構造についても、前述した各実施の形態における光増幅器と同様に特に制約を設けるものではなく、通常用いられる全てのＳＯＡについて本構成をとることにより上記説明のような効果が期待できる。例えば、ＳＯＡの活性層には、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなどの任意の材質の適用が可能である。活性層の構造には、バルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットが適用可能である。また、活性層の上，下または両方に分離閉じ込め層を形成しても同様な効果が期待できる。
【０１２８】
また、ＳＯＡの導波路構造には、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いれば、同様な効果が期待できる。基板についても、ｎ形基板に限定されるものではなく、ｐ形基板や半絶縁型基板などでも同様な効果が得られることは言うまでもない。また、３ｄＢカプラとして，ＭＭＩカプラに限らず、方向性結合器を用いてもまったく同様な効果が期待できる。
【０１２９】
＜実施の形態９＞
図１５は、本発明の他の形態における光増幅器の構成例を示す構成図である。この光増幅器は、基板６１４上に形成されたＳＯＡ６０１，６０２，６０５，多モード干渉型３ｄＢカプラ（ＭＭＩカプラ）６０３，６０４、入力導波路６１０，発振光導波路６１１，６１２、出力導波路６１３、ループ導波路６１８、及びＭＭＩカプラ６１９から構成され、これらが、導波路端面６０６と導波路端面６０７との間に配置されている。導波路端面６０６，６０７には、各々反射防止膜６０８，６０９が形成されている。
【０１３０】
図１５の光増幅器では、ＳＯＡ６０１，６０２と ＭＭＩ３カプラ６０３，６０４により、対称マッハツェンダ(Mach-Zehnder)干渉回路６１５が形成されている。この動作原理は、発振光のキャビティが反射防止膜６０９、端面６０７からＳＯＡ６０５を経て、ＭＭＩカプラ６１９、ループ導波路６１８から発振光導波路６１１，６２２及び対称マッハツェンダ干渉回路６１５から構成されるループミラーにより構成されることを除けば、図８に示す光増幅器と同様である。
【０１３１】
図１５の光増幅器では、ＳＯＡ６０５を通過してＭＭＩカプラ６１９に入射した光は２分岐され、この一方は、発振光導波路６１２から対称マッハツェンダ干渉回路６１５に入射し、発振光導波路６１１，ループ導波路６１８の順に通過し、ループを左回りに伝搬して再びＭＭＩカプラ６１９に戻ってくる。２分岐された他方は、ループ導波路６１８，発振光導波路６１１，対称マッハツェンダ干渉回路６１５、発振光導波路６１２の順にループを右回りで伝搬し、再びＭＭＩカプラ６１９に入射する。
【０１３２】
これら右回りの光と左回りの光は、ＭＭＩカプラ６１９で干渉し、損失なくＳＯＡ６０５へと導かれ、ＳＯＡ６０５で増幅された後で端面６０７で反射され、再びＳＯＡ６０５に入射する。例えば、反射防止膜６０９の反射率が０．１％とすると、ＳＯＡ６０５の注入電流を調整して利得が５ｄＢとなるようにすると、対称マッハツェンダ干渉回路６１５における利得が２０ｄＢのとき、ループミラーと反射防止膜で構成されたキャビティにおける損失と利得の積が１となり、発振が生じる。
【０１３３】
この状態でＳＯＡ６０１，６０２の注入電流を増加させても利得は２０ｄＢにクランプされており、図８に示す光増幅器と同様に、入力信号光６１６の利得も２０ｄＢにクランプされる。
また、図１５に示す光増幅器の場合も、図８に示す光増幅器と同様な理由により、ＳＯＡ６０５の利得を調整することにより入力信号光６１６の利得を調整することが可能であり、また発振光と信号光が空間的に分離されるために発振光を除去するためのフィルタが不要である。
【０１３４】
図１５に示す光増幅器においても図８に示す光増幅器と同様に、強度調整手段である光増幅器６０５の利得媒質のバンドギャップ波長を、信号光を増幅するための増幅手段である光増幅器６０１、６０２の利得媒質のバンドギャップ波長よりも短波長となるように設定することで、入力強度が変動した際の利得の時間的変動を最小限に押さえるという効果が期待できる。
【０１３５】
なお、本構成で用いるＳＯＡの構造についても、前述した各実施の形態における光増幅器と同様に特に制約を設けるものではなく、通常用いられる全てのＳＯＡについて本構成をとることにより上記説明のような効果が期待できる。例えば、ＳＯＡの活性層には、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなどの任意の材質の適用が可能である。活性層の構造には、バルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットが適用可能である。また、活性層の上，下または両方に分離閉じ込め層を形成しても同様な効果が期待できる。
【０１３６】
また、ＳＯＡの導波路構造には、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いれば、同様な効果が期待できる。基板についても、ｎ形基板に限定されるものではなく、ｐ形基板や半絶縁型基板などでも同様な効果が得られることは言うまでもない。
また、ループ導波路６１８の伝搬損失を大きく設定する代わりに、光減衰器、光変調器等をループ導波路６１８に接続しても同様な効果が期待できる。また、３ｄＢカプラとして，ＭＭＩカプラに限らず、方向性結合器を用いてもまったく同様な効果が期待できる。
【０１３７】
＜実施の形態１０＞
ところで、図１５に示した光増幅器において、２×２構成のＭＭＩカプラ６１９の代わりに、１×２構成のＭＭＩカプラを用いるようにしても、同様の効果を奏する。図１６は、本発明の他の形態における光増幅器の構成例を示す構成図である。この光増幅器は、基板７１４上に形成されたＳＯＡ７０１，７０２，７０５，多モード干渉型３ｄＢカプラ（ＭＭＩカプラ）７０３，７０４、入力導波路７１０，発振光導波路７１１，７１２、出力導波路７１３、ループ導波路７１８、及びＭＭＩカプラ７１９から構成され、これらが、導波路端面７０６と導波路端面７０７との間に配置されている。導波路端面７０６，７０７には、各々反射防止膜７０８，７０９が形成されている。本実施の形態では、前述したように、ＭＭＩカプラ７１９が、１×２構成となっている。
【０１３８】
図１６の光増幅器の動作原理は、発振光のキャビティが反射防止膜７０９、端面７０７からＳＯＡ７０５を経て１×２構成のＭＭＩカプラ７１９、ループ導波路７１８から発振光導波路７１１，７１２及び対称マッハツェンダ干渉回路７１５から構成されるループミラーにより構成されることを除けば、図１５に示す光増幅器と同様である。
【０１３９】
また、図１６の光増幅器も図８に示す光増幅器と同様な理由により、ＳＯＡ７０５の利得を調整することにより入力信号光７１６の利得を調整することが可能であり、また発振光と信号光が空間的に分離されるために発振光を除去するためのフィルタが不要である。また、強度調整手段である光増幅器７０５の利得媒質のバンドギャップ波長を信号光を増幅するための増幅手段である光増幅器７０１、７０２の利得媒質のバンドギャップ波長よりも短波長となるように設定することにより、入力強度が変動した際の利得の時間的変動を最小限に押さえるという効果が期待できる。
【０１４０】
なお、本構成で用いるＳＯＡの構造についても、前述した各実施の形態における光増幅器と同様に特に制約を設けるものではなく、通常用いられる全てのＳＯＡについて本構成をとることにより上記説明のような効果が期待できる。例えば、ＳＯＡの活性層には、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなどの任意の材質の適用が可能である。活性層の構造には、バルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットが適用可能である。また、活性層の上，下または両方に分離閉じ込め層を形成しても同様な効果が期待できる。
【０１４１】
また、ＳＯＡの導波路構造には、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いれば、同様な効果が期待できる。基板についても、ｎ形基板に限定されるものではなく、ｐ形基板や半絶縁型基板などでも同様な効果が得られることは言うまでもない。
また、３ｄＢカプラとして，ＭＭＩカプラに限らず、方向性結合器を用いてもまったく同様な効果が期待できる。さらに１×２構成のＭＭＩカプラは、Ｙ分岐に置き換えても同様な効果が期待できる。
【０１４２】
＜実施の形態１１＞
図１５及び図１６に示す光増幅器において、強度調整手段であるＳＯＡ６０５及びＳＯＡ７０５の長さを、信号光を増幅するための増幅手段であるＳＯＡ６０１，６０２及びＳＯＡ７０１，７０２の利得媒質の長さよりも短くすることにより、図１１を用いて説明したように、入力強度が変動した際の利得の時間的変動を最小限に押さえるという効果が期待できる。また、本実施の形態においても、活性層の上，下または両方に分離閉じ込め層を形成しても良く、他の実施例と同様な効果が期待できる。
【０１４３】
＜実施の形態１２＞
図１７は、本発明の他の形態における光増幅器の構成例を示す構成図である。この光増幅器は、基板８１４上に形成されたＳＯＡ８０１，８０２，８０５，多モード干渉型３ｄＢカプラ（ＭＭＩカプラ）８０３，８０４、入力導波路８１０，発振光導波路８１１，８１２、出力導波路８１３、ループ導波路８１８、ＭＭＩカプラ８１９、及びグレーティング８２０から構成され、これらが、導波路端面８０６と導波路端面８０７との間に配置されている。導波路端面８０６，８０７には、各々反射防止膜８０８，８０９が形成されている。
【０１４４】
ＳＯＡ８０１，８０２と ＭＭＩカプラ８０３，８０４は、対称マッハツェンダ(Mach-Zehnder)干渉回路８１５を形成している。動作原理は、発振光のキャビティが、グレーティング８２０からＳＯＡ８０５を経てＭＭＩカプラ８１９、ループ導波路８１８，発振光導波路８１１，８１２及び対称マッハツェンダ干渉回路８１５よりなるループミラーにより構成されることを除けば、図８に示す光増幅器と同様である。
【０１４５】
図１７に示す光増幅器では、ＳＯＡ８０５からＭＭＩカプラ８１９に入射した光は２分岐され、この一方が、導波路８１２から対称マッハツェンダ干渉回路８１５に入射し、導波路８１１，８１８の順に通過し、ループを左回りに伝搬して再びＭＭＩカプラに戻ってくる。２分岐された他方は、導波路８１８，８１１，対称マッハツェンダ干渉回路８１５、導波路８１２の順にループを右回りで伝搬し、再びＭＭＩカプラ８１９に入射する。
【０１４６】
これら右回りの光と左回りの光は、ＭＭＩカプラ８１９で干渉し、損失なくＳＯＡ８０５へと導かれ、ＳＯＡ８０５で増幅された後、グレーティング８２０で反射されて再びＳＯＡ８０５に入射する。例えば、グレーティング８２０の反射率が０．１％であれば、ＳＯＡ７０５の注入電流を調整し、利得が５ｄＢとなるようにすると、対称マッハツェンダ干渉回路７１５における利得が２０ｄＢのとき、ループミラーと反射防止膜で構成されたキャビティにおける損失と利得の積が１となり、発振が生じる。
【０１４７】
この状態で、ＳＯＡ８０１，８０２の注入電流を増加させても、利得は２０ｄＢにクランプされており、図１に示す光増幅器と同様に、入力信号光７１６の利得も２０ｄＢにクランプされる。
また、図１７に示す本実施の形態の光増幅器においても、図１の光増幅器と同様な理由により、ＳＯＡ８０５の利得を調整することにより入力信号光８１６の利得を調整することが可能であり、また発振光と信号光が空間的に分離されるために発振光を除去するためのフィルタが不要である。
【０１４８】
また、グレーティング８２０のＢｒａｇｇ波長をＳＯＡ８０１あるいは８０２の利得中心よりも短波長側に設定することにより、発振光の波長がＳＯＡ８０１あるいは８０２の利得中心よりも短波長側となるため、入力強度が変動した際の利得の時間的変動を最小限に押さえるという効果が期待できる。
【０１４９】
なお、本構成で用いるＳＯＡの構造についても、前述した各実施の形態における光増幅器と同様に特に制約を設けるものではなく、通常用いられる全てのＳＯＡについて本構成をとることにより上記説明のような効果が期待できる。例えば、ＳＯＡの活性層には、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなどの任意の材質の適用が可能である。活性層の構造には、バルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットが適用可能である。また、活性層の上，下または両方に分離閉じ込め層を形成しても同様な効果が期待できる。
【０１５０】
また、ＳＯＡの導波路構造には、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いれば、同様な効果が期待できる。基板についても、ｎ形基板に限定されるものではなく、ｐ形基板や半絶縁型基板などでも同様な効果が得られることは言うまでもない。また、３ｄＢカプラとして，ＭＭＩカプラに限らず、方向性結合器を用いてもまったく同様な効果が期待できる。
【０１５１】
＜実施の形態１３＞
図１８は、本発明の他の形態における光増幅器の構成例を示す構成図である。この光増幅器は、基板９１４上に形成されたＳＯＡ９０１，９０２，９０５，多モード干渉型３ｄＢカプラ（ＭＭＩカプラ）９０３，９０４、入力導波路９１０，発振光導波路９１１，９１２、出力導波路９１３、ループ導波路９１８、ＭＭＩカプラ９１９、及びグレーティング９２０から構成され、これらが、導波路端面９０６と導波路端面９０７との間に配置されている。導波路端面９０６，９０７には、各々反射防止膜９０９，９０９が形成されている。図１８に示す本実施の形態の光増幅器では、ＭＭＩカプラ９１９が、１×２構成となっている。
【０１５２】
この光増幅器の動作原理は、発振光のキャビティがグレーティング９２０からＳＯＡ９０５を経て１×２構成のＭＭＩカプラ９１９、ループ導波路９１８から発振光導波路９１１，９１２及び対称マッハツェンダ干渉回路９１５から構成されるループミラーにより構成されることを除けば図１７に示す光増幅器の場合と同様である。
【０１５３】
本実施の形態における図１８の光増幅器においても、図８に光増幅器と同様な理由により、ＳＯＡ９０５の利得を調整することにより入力信号光９１６の利得を調整することが可能であり、また発振光と信号光が空間的に分離されるために発振光を除去するためのフィルタが不要である。
【０１５４】
また、本光増幅器においても、図１７の光増幅器と同様に、グレーティング９２０のＢｒａｇｇ波長をＳＯＡ９０１あるいはＳＯＡ９０２の利得中心よりも短波長側に設定することにより、発振光の波長がＳＯＡ９０１あるいはＳＯＡ９０２の利得中心よりも短波長側となるため、入力強度が変動した際の利得の時間的変動を最小限に押さえるという効果が期待できる。
【０１５５】
なお、本光増幅器で用いるＳＯＡの構造についても、前述した各実施の形態における光増幅器と同様に特に制約を設けるものではなく、通常用いられる全てのＳＯＡについて本構成をとることにより上記説明のような効果が期待できる。例えば、ＳＯＡの活性層には、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなどの任意の材質の適用が可能である。活性層の構造には、バルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットが適用可能である。また、活性層の上，下または両方に分離閉じ込め層を形成しても同様な効果が期待できる。
【０１５６】
また、ＳＯＡの導波路構造には、ｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いれば、同様な効果が期待できる。基板についても、ｎ形基板に限定されるものではなく、ｐ形基板や半絶縁型基板などでも同様な効果が得られることは言うまでもない。また、３ｄＢカプラとして，ＭＭＩカプラに限らず、方向性結合器を用いてもまったく同様な効果が期待できる。さらに１×２構成のカプラとしては、ＭＭＩカプラに限らずＹ分岐を用いても同様な効果が期待できる。
【０１５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、発振光が導波する光路と信号光が導波する光路とを空間的に分離しつつ、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り、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタが不要になるとともに、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態に係る光増幅器の構成を示す上面図である。
【図２】  本発明の第２実施形態に係る光増幅器の構成を示す上面図である。
【図３】  本発明の第３実施形態に係る光増幅器の構成を示す上面図である。
【図４】  従来の半導体光増幅素子の第１構成例を示す断面図である。
【図５】  図４の半導体光増幅素子の飽和特性を示す図である。
【図６】  従来の半導体光増幅素子の第２構成例を示す断面図である。
【図７】  図６の半導体光増幅素子の飽和特性を示す図である。
【図８】  本発明の他の形態における光増幅器の構成例を示す構成図である。
【図９】  図８の光増幅器の断面を模式的に示す断面図である。
【図１０】  各ＳＯＡにおける利得媒質のゲインスペクトルを示す特性図である。
【図１１】  電流注入密度と利得スペクトルの関係を示した相関図である。
【図１２】  本発明の他の形態における光増幅器の構成例を示す構成図である。
【図１３】  図１２の光増幅器の断面を模式的に示す断面図である。
【図１４】  本発明の他の形態における光増幅器の構成例を示す構成図である。
【図１５】  本発明の他の形態における光増幅器の構成例を示す構成図である。
【図１６】  本発明の他の形態における光増幅器の構成例を示す構成図である。
【図１７】  本発明の他の形態における光増幅器の構成例を示す構成図である。
【図１８】  本発明の他の形態における光増幅器の構成例を示す構成図である。
【符号の説明】
１，２１，４１…基板、２，２２，４２…マッハツェンダ干渉回路、３，６，２３，２６，４３，４６…多モード干渉型３ｄＢカプラ、４，５，７，２４，２５，２７，４４，４５，４７…半導体光増幅器、８，２８，４８…入力導波路、９，１０，２９，３０，４９，５０…発振光導波路、１１，３１，５１…出力導波路、１２，１３，３２，３３，５２，５３…端面、１４，１５，３４，３５，５４，５５…反射防止膜、Ｒｉ…入力信号光、Ｒｏ…出力信号光、３６…グレーティング、５６…ループ導波路。
【図１】
0003950028.tif 000002
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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