(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層を有する半導体光導波路と、
前記半導体光導波路に設けられた単一の電極を有する光増幅領域と、
前記光増幅領域の出力側に接続され、前記半導体光導波路に設けられた単一の電極を有する光吸収領域とを備え、
前記半導体光導波路は、前記光増幅領域において光の入力側よりも光の出力側で光閉じ込め係数が小さくなり、前記光吸収領域において光の出力側よりも光の入力側で光閉じ込め係数が小さくなり、前記光増幅領域の出力端と前記光吸収領域の入力端での光閉じ込め係数が同じになるように構成されていることを特徴とする光波形整形素子。
【請求項２】
前記光増幅領域において、前記半導体光導波路は、光閉じ込め係数が光導波方向に沿って連続的に小さくなっていくように構成されており、
前記光吸収領域において、前記半導体光導波路は、光閉じ込め係数が光導波方向に沿って連続的に大きくなっていくように構成されていることを特徴とする、請求項１記載の光波形整形素子。
【請求項３】
前記光増幅領域において、前記半導体光導波路は、光閉じ込め係数が光導波方向に沿って段階的に小さくなるように構成されており、
前記光吸収領域において、前記半導体光導波路は、光閉じ込め係数が光導波方向に沿って段階的に大きくなるように構成されていることを特徴とする、請求項１記載の光波形整形素子。
【請求項４】
前記半導体光導波路は、入力光信号のパワーがオンレベルの時に前記光増幅領域において利得特性の飽和の浅い領域を用いて増幅されるように光閉じ込め係数が設定されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【請求項５】
前記半導体光導波路は、入力光信号のパワーがオンレベルの時に前記光吸収領域において吸収特性の飽和の浅い領域を用いて吸収されるように光閉じ込め係数が設定されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【請求項６】
前記光増幅領域及び前記光吸収領域は、同一の活性層を有する半導体光導波路によって構成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光波形整形素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
将来の大容量フォトニックネットワークの実現に向けて、図１３に示すように、光ファイバの分散や中継増幅器によるノイズなどによって劣化した波形を光のまま再生する技術が求められており、盛んに研究されている。
このような技術は、通常、２Ｒ（Reamplification and Reshaping）、或いは、これにリタイミングを加えて３Ｒ（Reamplification, Reshaping, and Retiming）と呼ばれている。
【０００３】
従来、光半導体素子によって波形整形する技術として、例えば図１４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、半導体光増幅器（ＳＯＡ；Semiconductor Optical Amplification）と光導波路とをモノリシックに集積し、マッハツェンダ（ＭＺ：Mach-Zehnder）干渉計［図１４（Ａ）参照］、対称マッハツェンダ（ＳＭＺ：Symmetric Mach-Zehnder）干渉計［図１４（Ｂ）参照］、遅延干渉計［図１４（Ｃ）参照］を構成したものを用いることが提案されている。このような素子を用いて４０〜８０Ｇｂ／ｓの信号を再生した例が報告されている（非特許文献１、２参照）。
【０００４】
また、単体素子を用いたものとしては、例えば図１４（Ｄ）に示すように、ＳＯＡの利得飽和を用いて、１（ＯＮ）レベル雑音を抑制する利得飽和方式も提案されている。
さらに、バルクや量子井戸活性層を持つＳＯＡでは利得応答速度が遅く、ビットレートが大幅に制限されてしまうため、活性層に利得応答速度の速い量子ドットを用い、可飽和吸収体を集積することによって、４０Ｇｂ／ｓ信号の０（ＯＦＦ）及び１（ＯＮ）レベルの雑音の圧縮が可能となることが示唆されている（非特許文献３参照）。
【０００５】
さらに、一段の増幅部と可飽和吸収部では十分な非線形性が得られないため、増幅部と可飽和吸収部を多段に配置した光非線形増幅素子が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−７５２１２号公報
【非特許文献１】D. Wolfson et al, "40-Gb/s All-Optical Wavelength Conversion, Regeneration, and Demultiplexing in an SOA-Based All-Active Mach-Zehnder Interferometer", IEEE Photon. Technol. Lett. 12, no. 3, pp. 332-334 (2000)
【非特許文献２】Y. Ueno et al, " Penalty-Free Error-Free All-Optical Data Pulse Regeneration at 84 Gb/s by Using a Symmetric-Mach-Zehnder-Type SemiconductorRegenerator", IEEE Photon. Technol. Lett. 13, no. 5, pp. 469-471 (2001)
【非特許文献３】秋山知之他、「量子ドット半導体光増幅器による４０Ｇｂ／ｓ信号再生」、２００５年春季応用物理学会学術講演会予稿集
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の図１４（Ａ）〜（Ｃ）に示すような干渉計を用いる方式では、入出力信号の波長が異なってしまうため、波長管理が必要になるほか、構成が複雑になるため、コストの上昇につながるという課題がある。
また、上述の図１４（Ｄ）に示すようなＳＯＡの利得飽和を用いる方式では、入出力信号の波長は同一であるが、０（ＯＦＦ）レベル雑音を抑制することができないという課題がある。
【０００７】
さらに、特許文献１で提案されている素子は、光の入射側から、順方向に電流が流れて利得を生じる増幅部、逆バイアスを印加して光を吸収する可飽和吸収部を交互に配置し、最終段の光増幅部の長さを他の光増幅部の長さよりも長くして増幅飽和を起こすような構造になっている（図７参照）。しかし、このような素子構造では、しきい値となる入力パワー（動作入力パワー）が非常に大きくなってしまうため、光強度が低下している信号に対して増幅及び波形整形を行なう２Ｒ，３Ｒ動作には不利である。
【０００８】
また、例えば図１５に示すように、利得領域１００と吸収領域１０１を交互に配置し、利得飽和と吸収飽和を用いて信号の２Ｒ，３Ｒ再生（２Ｒ，３Ｒ動作）を行なうことが考えられる。なお、図１５中、符号１０２はｎ型基板、符号１０３はｎ型クラッド層、符号１０４は活性層、符号１０５はｐ型クラッド層、符号１０６はｐ型コンタクト層、符号１０７はｐ側電極、符号１０８はｎ側電極をそれぞれ示している。
【０００９】
しかしながら、利得飽和と吸収飽和を用いて信号の２Ｒ，３Ｒ再生を行なう場合、利得飽和と吸収飽和の起こる高いパワーレベルで使用することになる。この場合に、単に同一光導波路構造の利得領域と吸収領域を設けただけでは、利得領域において利得特性の飽和の深い領域を用いて増幅が行なわれたり（例えば図２中、実線Ａ参照）、吸収領域において吸収特性の飽和の深い領域を用いて吸収が行なわれたりする（例えば図３中、実線Ａ参照）ことになるため、パターン効果が発生してしまう。この結果、出力波形は整形されずに歪んでしまい、信号の２Ｒ，３Ｒ再生を実現するのは難しい。
【００１０】
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、利得飽和や吸収飽和の起こる高いパワーレベルで使用する場合であっても、パターン効果を抑制し、信号の２Ｒ，３Ｒ再生を実現できるようにした、光波形整形素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このため、本発明の光波形整形素子は、活性層を有する半導体光導波路と、半導体光導波路に設けられた単一の電極を有する光増幅領域と、光増幅領域の出力側に接続され、半導体光導波路に設けられた単一の電極を有する光吸収領域とを備え、半導体光導波路は、光増幅領域において光の入力側よりも光の出力側で光閉じ込め係数が小さくなり、光吸収領域において光の出力側よりも光の入力側で光閉じ込め係数が小さくなり、光増幅領域の出力端と光吸収領域の入力端での光閉じ込め係数が同じになるように構成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
したがって、本発明の光波形整形素子によれば、利得飽和や吸収飽和の起こる高いパワーレベルで使用する場合であっても、パターン効果を抑制することができ、信号の２Ｒ，３Ｒ再生を実現できるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる光波形整形素子について、図１〜図８を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる光波形整形素子は、例えば図１（Ｂ）に示すように、活性層３を有する半導体光導波路１０を備え、半導体光導波路１０が延びる方向（光導波方向）に沿って、半導体光導波路１０の入射端面側［図１（Ｂ）中、左側］に光増幅領域２０Ａが設けられており、出射端面側［図１（Ｂ）中、右側］に光吸収領域２０Ｂが設けられている。なお、本光波形整形素子は、後述するように、活性層３の上側及び下側に光ガイド層（ＳＣＨ層）を備えるが、図１（Ｂ）では光ガイド層は図示していない。
【００１４】
つまり、本光波形整形素子は、図１（Ｂ）に示すように、一の導電型（ここではｎ型）の半導体基板１上に形成された半導体光導波路１０上に、活性層３に順バイアスで電流を注入する領域（光増幅領域；ＳＯＡ領域）２０Ａと活性層３に逆バイアス電圧を印加する領域（光吸収領域；可飽和吸収領域）２０Ｂとが形成されるように、他の導電型（ここではｐ型）のコンタクト層７（７Ａ，７Ｂ）及び電極８（８Ａ，８Ｂ）が分割されて形成された導波路型能動光半導体素子（半導体光能動素子）として構成される。
【００１５】
ここでは、光増幅領域２０Ａ及び光吸収領域２０Ｂは、図１（Ｂ）に示すように、同一の活性層３を有する半導体光導波路１０によって構成される。また、活性層３は、図７に示すように、量子ドット活性層（ここでは多重積層量子ドット層）としている。これにより、４０Ｇｂ／ｓ以上の高ビットレートの信号再生を実現しうる。
また、本実施形態では、図１（Ｂ）に示すように、同一活性層３を持つ半導体光導波路１０（半導体積層構造）の表面上に形成されるｐ型コンタクト層７及びｐ側電極８を分離して、１つの素子上に、ｐ型コンタクト層７Ａ及びｐ側電極８Ａを有する光増幅領域２０Ａ、及び、ｐ型コンタクト層７Ｂ及びｐ側電極８Ｂを有する光吸収領域２０Ｂを光導波方向に沿って直列に形成している。
【００１６】
ここでは、エッチングによってｐ型コンタクト層７の一部を取り除いて、分離されたｐ型コンタクト層７Ａ，７Ｂが光導波方向に沿って直列に並ぶように形成し、これらの分離されたｐ型コンタクト層７Ａ，７Ｂ上のそれぞれに独立にｐ側電極８Ａ，８Ｂを形成するようにしている。
また、図１（Ｂ）に示すように、本光波形整形素子の入射端面及び出射端面（即ち、半導体光導波路１０の入射端面及び出射端面）の両端面には無反射コーティングが施されて、反射防止膜（無反射構造）１１が形成されている。
【００１７】
さらに、図８に示すように、半導体光導波路１０は、反射防止のために、出射端面に対して傾斜している斜め導波路として構成されている。つまり、半導体光導波路１０を構成する活性層３が、出射端面に対して傾斜するように斜めに形成されている。
特に、本実施形態では、半導体光導波路１０に入射される光信号（伝送信号；入力光信号）がオフレベル（０レベル）の場合、パワーレベルが低いため、光増幅領域２０Ａでは利得特性の線形領域（線形利得）を用いて増幅が行なわれ、光吸収領域２０Ｂでは吸収特性の線形領域（線形吸収）を用いて吸収が行なわれるのに対し、オンレベル（１レベル）の場合、パワーレベルが高いため、光増幅領域２０Ａでは利得特性の飽和領域（利得飽和）を用いて増幅が行なわれ、光吸収領域２０Ｂでは吸収特性の飽和領域（吸収飽和）を用いて吸収が行なわれる。このため、光増幅領域２０Ａは、利得特性が飽和領域を有する可飽和利得領域であり、光吸収領域２０Ｂは、吸収特性が飽和領域を有する可飽和吸収領域である。
【００１８】
本実施形態では、光増幅領域２０Ａの長さは、入力光信号のパワーがオンレベル（１レベル）の時（ここでは入力パワーが０ｄＢｍの時）に所望の増幅率が得られるような長さに設定されている。
ここでは、光増幅領域２０Ａは、オンレベル時に、入力信号光のパワーレベル（ここでは０ｄＢｍ）を、利得特性の飽和領域を用いて増幅される所望のパワーレベル（ここでは１５ｄＢｍ）まで増幅しうるように、その長さが設定されている。
【００１９】
この場合、オンレベル時に、入射端面側の光増幅領域２０Ａから出力される光信号のパワーレベル（利得特性の飽和領域を用いて増幅された光信号のパワーレベル；利得飽和光出力）が高くなり、これにより、出射端面側の光吸収領域２０Ｂに入力される光信号のパワーレベルが高くなるため、光吸収領域２０Ｂにおいて吸収特性の飽和領域を用いて吸収が行なわれることになる。ここでは、光吸収領域２０Ｂを光信号が導波していく過程で吸収飽和状態が維持されるように、光閉じ込め係数、光吸収領域２０Ｂの長さ、活性層３の材料・構造、光導波路構造などが設定されている。
【００２０】
このように、光増幅領域２０Ａにおいて利得飽和が起こるようにしながら、光吸収領域２０Ｂにおいて吸収飽和状態が維持されるようにし、光がよく透過するようにして、１レベル雑音（オンレベル雑音）を抑制し、Ｓ／Ｎを改善するようにしている。
さらに、本実施形態では、入力光信号のパワーがオフレベル（０レベル）の時（ここでは入力パワーが−１０ｄＢｍの時）に、出射端面側の光吸収領域２０Ｂにおいて吸収特性の線形領域を用いて吸収（線形吸収）されるようになっている。ここでは、出射端面側の光吸収領域２０Ｂは、オフレベル時に、出力光信号のパワーレベルが入力光信号のパワーレベル以下になるように、その長さが設定されている。これにより、０レベル雑音を抑制できるようにしている。
【００２１】
ところで、本実施形態では、図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、半導体光導波路１０は、入射端面及び出射端面の近傍領域の光閉じ込め係数が光導波方向の素子中央領域の光閉じ込め係数よりも大きくなるように構成されている。
具体的には、図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、光増幅領域２０Ａにおいて、半導体光導波路１０は、光閉じ込め係数が光導波方向に沿って段階的に小さくなるように構成されている。一方、光吸収領域２０Ｂにおいて、半導体光導波路１０は、光閉じ込め係数が光導波方向に沿って段階的に大きくなるように構成されている。なお、図１（Ｂ）では、半導体光導波路１０の光閉じ込め係数が変化している様子を活性層３の模様を変えて示している。
【００２２】
ここでは、図１（Ａ）に示すように、光増幅領域２０Ａは、その長さをＬSOAとし、入力側の半分の領域（長さＬSOA／２）の光閉じ込め係数をΓとし、出力側の半分の領域（長さＬSOA／２）の光閉じ込め係数をΓ／２としている。一方、光吸収領域２０Ｂは、その長さをＬSAとし、入力側の半分の領域（長さＬSOA／２）の光閉じ込め係数をΓ／２とし、出力側の半分の領域（長さＬSOA／２）の光閉じ込め係数をΓとしている。
【００２３】
ここで、図２は、光増幅領域２０Ａの光出力ＰOUT（光増幅領域２０Ａから出力される光信号のパワーレベル）及び利得を計算した結果を示している。
なお、図２中、実線Ａは同一活性層構造で光増幅領域２０Ａの全長にわたって光閉じ込め係数が同一（均一）のもの（光閉じ込め係数比１）の計算結果を示しており、実線Ｂは同一活性層構造で光増幅領域２０Ａの出力側の半分の領域の光閉じ込め係数が、入力側の半分の領域の光閉じ込め係数の半分になっているもの（光閉じ込め係数比０．５）の計算結果を示している。
【００２４】
図２中、実線Ｂで示すように、光閉じ込め係数を変化させることで、線形利得は小さくなっているが、利得飽和パワーレベル［利得特性の飽和深さが所定値（ここでは２ｄＢ）以上になる光出力］は大きくなっていることがわかる。
例えば、オンレベル時の光出力ＰOUTを１５ｄＢｍとすると、光閉じ込め係数が同一のもの（図２中、実線Ａ）は、利得特性の飽和深さが２ｄＢ以上であり、利得特性の飽和の深い領域を用いて増幅することになるのに対し、光閉じ込め係数を光導波方向で変化させたもの（図２中、実線Ｂ）は、利得特性の飽和深さが１．５ｄＢ程度に留まっており、利得特性の飽和の浅い領域を用いて増幅することになる。
【００２５】
ここで、図３は、光吸収領域の光入力ＰIN（光吸収領域２０Ｂに入力される光信号のパワーレベル）及び吸収量（マイナスの利得）を計算した結果を示している。
なお、図３中、実線Ａは同一活性層構造で光吸収領域２０Ｂの全長にわたって光閉じ込め係数が同一（均一）のもの（光閉じ込め係数比１）の計算結果を示しており、実線Ｂは同一活性層構造で光吸収領域２０Ｂの入力側の半分の領域の光閉じ込め係数が、出力側の半分の領域の光閉じ込め係数の半分になっているもの（光閉じ込め係数比０．５）の計算結果を示している。
【００２６】
図３中、実線Ｂで示すように、光閉じ込め係数を変化させることで、吸収量が少なくなる。この結果、光吸収領域２０Ｂからの光出力は大きくなる。また、図３中、実線Ｂで示すように、吸収飽和パワーレベル［吸収特性の飽和深さが所定値（ここでは３ｄＢ）以上になる光入力］も大きくなっていることがわかる。
例えば、オンレベル時の光入力ＰINを１５ｄＢｍとすると、光閉じ込め係数が同一のもの（図３中、実線Ａ）は、吸収特性の飽和深さが３ｄＢ程度であり、吸収特性の飽和の深い領域を用いて吸収することになるのに対し、光閉じ込め係数を光導波方向で変化させたもの（図３中、実線Ｂ）は、吸収特性の飽和深さが２ｄＢ程度になっており、吸収特性の飽和の浅い領域を用いて吸収することになる。
【００２７】
このように、図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、光増幅領域２０Ａにおいて、光導波方向に沿って光閉じ込め係数が小さくなるように光閉じ込め係数を段階的に変化させることで、図２中、実線Ｂで示すように、利得飽和パワーレベルを大きくし、利得特性の飽和の浅い領域を用いて増幅が行なわれるようにしている。一方、図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、光吸収領域２０Ｂにおいて、光導波方向に沿って光閉じ込め係数が大きくなるように光閉じ込め係数を段階的に変化させることで、図３中、実線Ｂで示すように、吸収飽和パワーレベルを大きくし、吸収特性の飽和の浅い領域を用いて吸収が行なわれるようにしている。
【００２８】
つまり、本実施形態では、半導体光導波路１０は、オンレベル時に、光増幅領域２０Ａにおいて利得特性の飽和の浅い領域を用いて増幅されるように光閉じ込め係数が設定されている。また、半導体光導波路１０は、オンレベル時に、光吸収領域２０Ｂにおいて吸収特性の飽和の浅い領域を用いて吸収されるように光閉じ込め係数が設定されている。
これにより、図２，図３に示すように、オンレベル時に、利得飽和パワーレベル及び吸収飽和パワーレベルが適切に設定され、利得特性の飽和の浅い領域を用いて増幅が行なわれるとともに、吸収特性の飽和の浅い領域を用いて吸収が行なわれるため、パターン効果による波形歪み（ノイズ）を抑制することができ、この結果、利得飽和や吸収飽和の起こる高いパワーレベルであっても２Ｒ，３Ｒ動作が可能となる。このように１つの能動素子で２Ｒ動作が実現できるため、上述の干渉計を用いる方式［図１４（Ａ）〜（Ｃ）参照］と比較して、構成の単純化、低コスト化を図ることが可能となる。
【００２９】
本実施形態では、図４に示すように、半導体光導波路１０を、活性層３の上側及び下側に光ガイド層（ＳＣＨ層）１２，１３を備えるものとして構成し、半導体光導波路１０の光閉じ込め係数が光導波方向の素子中央領域よりも入射端面及び出射端面の近傍領域で大きくなるようにすべく、活性層３の上側の光ガイド層（上部ＳＣＨ層）１２は、入射端面及び出射端面の近傍領域の厚さよりも光導波方向の素子中央領域の厚さが厚くなるようにしている。ここでは、上部ＳＣＨ層１２が、入射端面及び出射端面の近傍領域の厚さに対して光導波方向の素子中央領域の厚さが光導波方向に沿って段階的に厚くなるようにしている。
【００３０】
この場合、上部ＳＣＨ層１２を形成する際に、例えば図５に示すように、活性層３上に、入射端面及び出射端面の近傍領域においてマスク開口が広くなり、光導波方向の素子中央領域においてマスク開口が狭くなるように、マスク開口が段階的に変化するマスク（例えばＳｉＯ2マスク）１４を形成し、このマスク１４を用いて上部ＳＣＨ層１２を形成すれば良い。つまり、このようなマスク１４を用いて上部ＳＣＨ層１２を形成すると、上部ＳＣＨ層１２の膜厚は、マスク開口の広い部分で薄くなり、マスク開口の狭い部分で厚くなるため、例えば図４に示すように、上部ＳＣＨ層１２は、入射端面及び出射端面の近傍領域の厚さよりも光導波方向の素子中央領域の厚さが段階的に厚くなるように形成されることになる（例えば特開平７−２８３４９０号公報等参照）。
【００３１】
なお、ここでは、活性層３の上側及び下側に光ガイド層（ＳＣＨ層）１２，１３を設け、活性層３の上側の光ガイド層１２の厚さを変えているが、これに限られるものではない。例えば、活性層３の下側の光ガイド層（下部ＳＣＨ層）１３の厚さを変えても良いし、活性層３の上側及び下側の光ガイド層１２，１３の両方の厚さを変えても良い。つまり、活性層の上側及び下側に光ガイド層を設け、上下両側の光ガイド層の少なくとも一方の光ガイド層が、入射端面及び出射端面の近傍領域の厚さよりも光導波方向の素子中央領域の厚さが厚くなるようにすれば良い。また、例えば、活性層の上側又は下側に光ガイド層を設け、その光ガイド層は、入射端面及び出射端面の近傍領域の厚さよりも光導波方向の素子中央領域の厚さが厚くなるようにしても良い。
【００３２】
特に、本実施形態では、図１（Ｂ）に示すように、同一活性層３を持つ半導体光導波路１０（半導体積層構造）の表面上に形成されるｐ型コンタクト層７及びｐ側電極８は、半導体光導波路１０の光閉じ込め係数が小さくなっている領域において分離されている。
以下、本光波形整形素子について、より具体的に説明する。
本光波形整形素子は、図６に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層２を介して活性層３を含むメサ構造が形成されており、電流狭窄及び光の閉じ込めのために、このメサ構造がｐ型ＩｎＰ層４とｎ型ＩｎＰ層５とをｐｎ接合してなる埋込層によって埋め込まれた構造になっている。なお、本光波形整形素子は、上述のように、活性層３の上側及び下側に光ガイド層（ＳＣＨ層）を備えるが、図６では光ガイド層は図示していない。
【００３３】
また、ｎ型ＩｎＰ埋込層５上にはｐ型ＩｎＰクラッド層６が形成されており、このｐ型ＩｎＰクラッド層６上にｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７が積層されている。
そして、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７上にｐ側電極（電極金属）８が形成されている。一方、ｎ側電極（電極金属）９はｎ型ＩｎＰ基板１の裏面に形成されている。
ここでは、活性層部分は、図７の活性層部分を拡大した模式的断面図に示すように、活性層（ここでは多重積層量子ドット活性層）３の上下をＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層１２，１３で挟み込んだ構造になっている。
【００３４】
ここで、多重積層量子ドット活性層３は、図７に示すように、ＩｎＡｓ量子ドット３ＡをＩｎＧａＡｓＰバリア層３Ｂで埋め込んだ量子ドット層３Ｃを、各量子ドット層３Ｃの量子ドット３Ａが上下に接合されるように、複数層（ここでは２２層）積層させた構造になっている。つまり、多重積層量子ドット活性層３は、図７に示すように、量子ドット３Ａが複数積層されてなる多重積層量子ドット３ＤをＩｎＧａＡｓＰバリア層３Ｂで埋め込んだ構造になっている。
【００３５】
したがって、本実施形態にかかる光波形整形素子によれば、利得飽和や吸収飽和の起こる高いパワーレベルで使用する場合であっても、パターン効果が抑制され、信号の２Ｒ，３Ｒ再生を実現できるという利点がある。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態にかかる光波形整形素子について、図９〜図１１を参照しながら説明する。
【００３６】
本実施形態にかかる光波形整形素子は、上述の第１実施形態のものに対し、図９（Ａ），（Ｂ）に示すように、光増幅領域２０Ａにおいて、半導体光導波路１０は、光閉じ込め係数が光導波方向に沿って連続的に小さくなっていくように構成されており、光吸収領域２０Ｂにおいて、半導体光導波路１０は、光閉じ込め係数が光導波方向に沿って連続的に大きくなっていくように構成されている点が異なる。なお、本光波形整形素子は、後述するように、活性層３の上側及び下側に光ガイド層（ＳＣＨ層）を備えるが、図９（Ｂ）では光ガイド層は図示していない。また、図９では、上述の第１実施形態（図１参照）と同一のものには同一の符号を付している。
【００３７】
このように、図９（Ａ），（Ｂ）に示すように、光増幅領域２０Ａにおいて、光導波方向に沿って光閉じ込め係数が小さくなるように光閉じ込め係数を連続的に変化させることで、利得飽和パワーレベルを大きくし、利得特性の飽和の浅い領域を用いて増幅が行なわれるようにしている。一方、図９（Ａ），（Ｂ）に示すように、光吸収領域２０Ｂにおいて、光導波方向に沿って光閉じ込め係数が大きくなるように光閉じ込め係数を連続的に変化させることで、吸収飽和パワーレベルを大きくし、吸収特性の飽和の浅い領域を用いて吸収が行なわれるようにしている。
【００３８】
本実施形態では、図１０に示すように、半導体光導波路１０を、活性層３の上側及び下側に光ガイド層（ＳＣＨ層）１２Ｘ，１３を備えるものとして構成し、半導体光導波路１０の光閉じ込め係数が光導波方向の素子中央領域よりも入射端面及び出射端面の近傍領域で大きくなるようにすべく、活性層３の上側の光ガイド層（上部ＳＣＨ層）１２Ｘが、入射端面及び出射端面の近傍領域の厚さよりも光導波方向の素子中央領域の厚さが厚くなるようにしている。ここでは、上部ＳＣＨ層１２Ｘが、入射端面及び出射端面の近傍領域から光導波方向の素子中央領域へ向けて光導波方向に沿って連続的に厚くなるようにしている。なお、図１０では、上述の第１実施形態（図４参照）と同一のものには同一の符号を付している。
【００３９】
この場合、上部ＳＣＨ層１２Ｘを形成する際に、例えば図１１（Ａ）に示すように、活性層３上に、入射端面及び出射端面の近傍領域においてマスク開口が広くなり、光導波方向の素子中央領域においてマスク開口が狭くなるように、マスク開口が連続的に変化するマスク（例えばＳｉＯ2マスク）１４Ｘを形成し、例えば図１１（Ｂ）に示すように、このマスク１４Ｘを用いて上部ＳＣＨ層１２Ｘを形成すれば良い。つまり、このようなマスク１４Ｘを用いて上部ＳＣＨ層１２Ｘを形成すると、上部ＳＣＨ層１２Ｘの膜厚は、マスク開口の広い部分で薄くなり、マスク開口の狭い部分で厚くなるため、例えば図１１（Ｂ）に示すように、上部ＳＣＨ層１２Ｘは、入射端面及び出射端面の近傍領域から光導波方向の素子中央領域へ向けて光導波方向に沿って連続的に厚くなるように形成されることになる（例えば特開平７−２８３４９０号公報等参照）。なお、図１１（Ｂ）中、半導体光導波路１０として用いられる領域を点線Ｘで囲んで示している。
【００４０】
なお、ここでは、活性層３の上側及び下側に光ガイド層（ＳＣＨ層）１２Ｘ，１３を設け、活性層３の上側の光ガイド層１２Ｘの厚さを変えているが、これに限られるものではない。例えば、活性層３の下側の光ガイド層（下部ＳＣＨ層）の厚さを変えても良いし、活性層３の上側及び下側の光ガイド層の両方の厚さを変えても良い。つまり、活性層の上側及び下側に光ガイド層を設け、上下両側の光ガイド層の少なくとも一方の光ガイド層が、入射端面及び出射端面の近傍領域の厚さよりも光導波方向の素子中央領域の厚さが厚くなるようにすれば良い。また、例えば、活性層の上側又は下側に光ガイド層を設け、その光ガイド層は、入射端面及び出射端面の近傍領域の厚さよりも光導波方向の素子中央領域の厚さが厚くなるようにしても良い。
【００４１】
特に、本実施形態では、図９（Ｂ）に示すように、同一活性層３を持つ半導体光導波路１０（半導体積層構造）の表面上に形成されるｐ型コンタクト層７及びｐ側電極８は、半導体光導波路１０の光閉じ込め係数が最も小さくなっている部分（光閉じ込め係数が極小になった部分）及びその近傍領域において分離されている。
なお、その他の構成などの詳細は、上述の第１実施形態のものと同じであるため、ここでは説明を省略する。
【００４２】
したがって、本実施形態にかかる光波形整形素子によれば、上述の第１実施形態のものと同様に、利得飽和や吸収飽和の起こる高いパワーレベルで使用する場合であっても、パターン効果が抑制され、信号の２Ｒ，３Ｒ再生を実現できるという利点がある。
［その他］
なお、上述の各実施形態では、１つの光増幅領域と１つの光吸収領域とを備える光波形整形素子に本発明を適用した場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、例えば、複数の光増幅領域と複数の光吸収領域とを備え、これらが光導波方向に沿って交互に設けられた光波形整形素子に、本発明を適用することもできる。
【００４３】
また、上述の各実施形態では、光導波方向に沿って光ガイド層（ＳＣＨ層）の膜厚を変化させることによって光閉じ込め係数を変化させるようにしているが、これに限られるものではない。
例えば、活性層が量子ドット活性層の場合、光導波方向に沿って量子ドット活性層のドット密度を変化させることによって光閉じ込め係数を変化させるようにしても良い。つまり、図１２（Ａ），（Ｂ）に示すように、半導体光導波路１０の光閉じ込め係数が光導波方向の素子中央領域よりも入射端面及び出射端面の近傍領域で大きくなるように、量子ドット活性層３Ｘを、入射端面及び出射端面の近傍領域の量子ドット３Ａの密度よりも光導波方向の素子中央領域の量子ドット３Ａの密度が低くなるように構成しても良い。なお、図１２（Ａ），（Ｂ）では、上述の第１実施形態（図４参照）と同一のものには同一の符号を付している。また、このように、量子ドット密度を変える方法としては、例えば特開２００３−３０９３２２号公報等に開示された方法がある。
【００４４】
また、これらの光ガイド層の膜厚を変える方法と量子ドットの密度を変える方法とを組み合わせても良い。つまり、光導波方向に沿って、光ガイド層の膜厚を変化させるとともに、量子ドット活性層のドット密度を変化させることによって光閉じ込め係数を変化させるようにしても良い。
さらに、例えば、半導体光導波路が活性層の上側及び下側にクラッド層を備える場合、光導波方向に沿ってクラッド層の組成を変えるようにしても良い。つまり、半導体光導波路の光閉じ込め係数が光導波方向の素子中央領域よりも入射端面及び出射端面の近傍領域が大きくなるように、上下両側のクラッド層の少なくとも一方のクラッド層の組成を変えるようにしても良い。また、このクラッド層の組成を変える方法と、上述の光ガイド層の膜厚を変える方法や量子ドットの密度を変える方法を組み合わせても良い。
【００４５】
また、上述の各実施形態では、活性層に量子ドットを用いているが、これに限られるものではなく、活性層としてバルク活性層や量子井戸活性層を用いても上述の各実施形態と同様の効果が得られる。例えば信号のビットレートが低い場合などはバルク活性層や量子井戸活性層を用いることもできる。
また、上述の各実施形態では、ＩｎＰ系材料を用いた導波路埋込構造デバイスを例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、例えばＧａＡｓ系材料を用いても本発明にかかる光波形整形素子を実現することができる。
【００４６】
さらに、上述の各実施形態では、埋込構造としてｐｎ埋込構造を用いているが、これに限られるものではなく、例えば半絶縁性埋込構造を用いても良い。また、上述の各実施形態では、導波路埋込構造を用いているが、これに限られるものではなく、例えば導波路構造をリッジ構造にしても良い。
また、上述の各実施形態では、コンタクト層の一部をエッチングして分離し、分離されたコンタクト層上に電極を形成するようにして、光増幅領域と光吸収領域とを分離しているが、電極分離方法（電極分離構造）はこれに限られるものではない。例えばプロトン注入（イオン注入）によってコンタクト層の一部を高抵抗化して電極分離を行なうようにしても良い。
【００４７】
また、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。
以下、上述の各実施形態に関し、更に、付記を開示する。
（付記１）
活性層を有する半導体光導波路と、
前記半導体光導波路の入射端面側に設けられた光増幅領域と、
前記半導体光導波路の出射端面側に設けられた光吸収領域とを備え、
前記半導体光導波路は、入射端面及び出射端面の近傍領域の光閉じ込め係数が光導波方向の素子中央領域の光閉じ込め係数よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする光波形整形素子。
【００４８】
（付記２）
前記光増幅領域において、前記半導体光導波路は、光閉じ込め係数が光導波方向に沿って連続的に小さくなっていくように構成されており、
前記光吸収領域において、前記半導体光導波路は、光閉じ込め係数が光導波方向に沿って連続的に大きくなっていくように構成されていることを特徴とする、付記１記載の光波形整形素子。
【００４９】
（付記３）
前記光増幅領域及び前記光吸収領域は、それぞれ、電極を備え、
前記光増幅領域の電極と前記光吸収領域の電極とは、前記半導体光導波路の光閉じ込め係数が最も小さくなっている部分及びその近傍領域において分離されていることを特徴とする、付記２記載の光波形整形素子。
【００５０】
（付記４）
前記光増幅領域において、前記半導体光導波路は、光閉じ込め係数が光導波方向に沿って段階的に小さくなるように構成されており、
前記光吸収領域において、前記半導体光導波路は、光閉じ込め係数が光導波方向に沿って段階的に大きくなるように構成されていることを特徴とする、付記１記載の光波形整形素子。
【００５１】
（付記５）
前記半導体光導波路は、入力光信号のパワーがオンレベルの時に前記光増幅領域において利得特性の飽和の浅い領域を用いて増幅されるように光閉じ込め係数が設定されていることを特徴とする、付記１〜４のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
（付記６）
前記半導体光導波路は、入力光信号のパワーがオンレベルの時に前記光吸収領域において吸収特性の飽和の浅い領域を用いて吸収されるように光閉じ込め係数が設定されていることを特徴とする、付記１〜５のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【００５２】
（付記７）
前記光増幅領域及び前記光吸収領域は、同一の活性層を有する半導体光導波路によって構成され、
前記光増幅領域は、前記活性層に順バイアス電流が注入されるようになっており、
前記光吸収領域は、前記活性層に逆バイアス電圧が印加されるようになっていることを特徴とする、付記１〜６のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【００５３】
（付記８）
前記半導体光導波路は、光ガイド層を備え、
前記光ガイド層は、前記半導体光導波路の光閉じ込め係数が光導波方向の素子中央領域よりも前記入射端面及び前記出射端面の近傍領域で大きくなるように、前記入射端面及び前記出射端面の近傍領域の厚さよりも光導波方向の素子中央領域の厚さが厚くなっていることを特徴とする、付記１〜７のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【００５４】
（付記９）
前記活性層が、量子ドット活性層であり、
前記量子ドット活性層は、前記半導体光導波路の光閉じ込め係数が光導波方向の素子中央領域よりも前記入射端面及び前記出射端面の近傍領域で大きくなるように、前記入射端面及び前記出射端面の近傍領域の量子ドットの密度よりも光導波方向の素子中央領域の量子ドットの密度が低くなっていることを特徴とする、付記１〜８のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【００５５】
（付記１０）
前記半導体光導波路は、クラッド層を備え、
前記クラッド層は、前記半導体光導波路の光閉じ込め係数が光導波方向の素子中央領域よりも前記入射端面及び前記出射端面の近傍領域で大きくなるように、その組成が変えられていることを特徴とする、付記１〜９のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【００５６】
（付記１１）
前記活性層が、量子ドット活性層であることを特徴とする、付記１〜８、１０のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
（付記１２）
前記半導体光導波路の入射端面及び出射端面に無反射コーティングが施されていることを特徴とする、付記１〜１１のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【００５７】
（付記１３）
前記半導体光導波路が、前記出射端面に対して傾斜している斜め導波路として構成されていることを特徴とする、付記１〜１２のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１実施形態にかかる光波形整形素子の構成を示す図であって、（Ａ）は光導波方向に沿う光閉じ込め係数の変化を示す図であり、（Ｂ）は積層構造を示す模式的断面図（図６のＡ−Ａ′に沿う断面図）である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかる光波形整形素子を構成する光増幅領域において、光導波方向に沿って光閉じ込め係数が同一の場合の光出力と利得の関係、及び、光導波方向に沿って光閉じ込め係数を変化させた場合の光出力と利得の関係を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態にかかる光波形整形素子を構成する光吸収領域において、光導波方向に沿って光閉じ込め係数が同一の場合の光出力と利得の関係、及び、光導波方向に沿って光閉じ込め係数を変化させた場合の光入力と利得の関係を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態にかかる光波形整形素子において光閉じ込め係数を変化させるための具体的な構成例を示す模式的断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態にかかる光波形整形素子において光閉じ込め係数を変化させるための具体的な構成例を実現するための方法を説明するための模式的斜視図である。
【図６】本発明の第１実施形態にかかる光波形整形素子の構成を示す模式的断面図である。
【図７】本発明の第１実施形態にかかる光波形整形素子を構成する活性層を示す模式的断面図である。
【図８】本発明の第１実施形態にかかる光波形整形素子の構成を示す模式的断面図（図６のＢ−Ｂ′に沿う断面図）である。
【図９】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第２実施形態にかかる光波形整形素子の構成を示す図であって、（Ａ）は光導波方向に沿う光閉じ込め係数の変化を示す図であり、（Ｂ）は積層構造を示す模式的断面図である。
【図１０】本発明の第２実施形態にかかる光波形整形素子において光閉じ込め係数を変化させるための具体的な構成例を示す模式的断面図である。
【図１１】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１実施形態にかかる光波形整形素子において光閉じ込め係数を変化させるための具体的な構成例を実現するための方法を説明するための模式的斜視図である。
【図１２】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の各実施形態にかかる光波形整形素子において光閉じ込め係数を変化させるための他の具体的な構成例を示す模式図である。
【図１３】光波形整形素子を用いた波形整形技術を説明するための図である。
【図１４】（Ａ）〜（Ｄ）は、従来の波形整形技術を説明するための図である。
【図１５】本発明にかかる光波形整形素子の課題を説明するための模式的断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１  ｎ型ＩｎＰ基板（半導体基板）
２  ｎ型ＩｎＰクラッド層
３，３Ｘ  活性層（量子ドット活性層）
３Ａ  ＩｎＡｓ量子ドット
３Ｂ  ＩｎＧａＡｓＰバリア層
３Ｃ  量子ドット層
３Ｄ  多重積層量子ドット
４  ｐ型ＩｎＰ層
５  ｎ型ＩｎＰ層
６  ｐ型ＩｎＰクラッド層
７，７Ａ，７Ｂ  ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
８，８Ａ，８Ｂ  ｐ側電極
９  ｎ側電極
１０  半導体光導波路
１１  反射防止膜
１２，１２Ｘ，１３  ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層
１４，１４Ｘ  マスク
２０Ａ  光増幅領域（可飽和利得領域）
２０Ｂ  光吸収領域（可飽和吸収領域）
【図１】
0004941175.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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