(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
順方向電流が注入されている半導体光増幅部に信号光を入射させ、前記半導体光増幅部で増幅された信号光を逆方向電圧が印加されている半導体可飽和吸収部に通して出射させる半導体光増幅器において、
前記半導体光増幅部に入射させる前の前記信号光から、その１／１０〜１／１００の範囲の光パワを取り出して第１の光・電気変換回路で電気信号に変換し、その電気信号により、前記信号光の光パワが大きいときには前記逆方向電圧を小さくなるように制御し、前記信号光の光パワが小さいときには前記逆方向電圧を大きくなるように制御すると同時に、前記半導体光増幅部で増幅された信号光の光パワの一部を取り出して第２の光・電気変換回路で電気信号に変換し、その電気信号に応じて前記半導体光増幅部の前記順方向電流を制御することを特徴とする低雑音半導体光増幅器。
【請求項２】
順方向電流が注入されている半導体光増幅部に波長多重された信号光を入射させ、前記半導体光増幅部で増幅された信号光を逆方向電圧が印加されている半導体可飽和吸収部に通して出射させる半導体光増幅器において、
前記波長多重された信号光中の特定の波長の信号光のみを取り出して光・電気変換回路で電気信号に変換し、その電気信号により、前記信号光の光パワが大きいときには前記逆方向電圧を小さくなるように制御し、前記信号光の光パワが小さいときには前記逆方向電圧を大きくなるように制御すると同時に、前記半導体光増幅部で増幅された信号光の光パワの一部を取り出して第２の光・電気変換回路で電気信号に変換し、その電気信号に応じて前記半導体光増幅部の前記順方向電流を制御することを特徴とする低雑音半導体光増幅器。
【請求項３】
順方向電流が注入されている半導体光増幅部に波長多重された信号光を入射させ、前記半導体光増幅部で増幅された信号光を逆方向電圧が印加されている半導体可飽和吸収部に通して出射させる半導体光増幅器において、
前記半導体光増幅部に入射させる前の前記波長多重された信号光中の特定の波長の信号光のみを取り出して光・電気変換回路で電気信号に変換し、その電気信号により、前記信号光の光パワが大きいときには前記逆方向電圧を小さくなるように制御し、前記信号光の光パワが小さいときには前記逆方向電圧を大きくなるように制御すると同時に、前記半導体光増幅部で増幅された信号光の光パワの一部を取り出して第２の光・電気変換回路で電気信号に変換し、その電気信号に応じて前記半導体光増幅部の前記順方向電流を制御することを特徴とする低雑音半導体光増幅器。
【請求項４】
前記半導体可飽和吸収部の後に第二の半導体光増幅部を設けたことを特徴とする請求項１〜３に記載の低雑音半導体光増幅器。
【請求項５】
前記半導体光増幅部の素子長がＬ1、前記半導体可飽和吸収部の素子長がＬ2、及び、前記第二の半導体光増幅部の素子長がＬ3であり、前記各素子長がＬ1＞Ｌ3＞Ｌ2の関係を満足することを特徴とする請求項４に記載の低雑音半導体光増幅器。
【請求項６】
前記半導体光増幅部に入射させる波長多重された信号光に前記半導体光増幅部のロス領域の波長を持つ監視光を重畳させ、前記半導体光増幅部の出力側で前記監視光を取り出すことを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の低雑音半導体光増幅器。
【請求項７】
前記半導体光増幅部に入射させる波長多重された信号光に前記半導体光増幅部のゲイン領域の短波長側か長波長側かの波長を持つ監視光を重畳させ、前記半導体光増幅部の出力側で前記監視光を取り出すことを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の低雑音半導体光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体光導波路を用いた半導体光増幅器に係り、特に、低雑音特性を持った半導体光増幅器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体光増幅器の雑音特性を改善する構造として、図７に示す構造のものが提案されている（特開平３−５０８８４号）。これは半導体光増幅器が半導体光増幅部（以下、光増幅部という）１０１と半導体可飽和吸収部（以下、可飽和吸収部という）１０２とからなり、光増幅部１０１には順方向電流（Ｉｋ）１０３を注入して信号光１０５を増幅する利得部として作用させ、可飽和吸収部１０２には逆方向電圧（−Ｖｋ）１０４を印加して前記増幅された信号光に含まれている自然放出光による雑音を低減させ、結果的に、出射される増幅された信号光１０６の雑音特性を改善するようにしたものである。即ち、通常の可飽和吸収部のない半導体光増幅器（光増幅部のみのもの）では、信号光パワが大きいときには誘導放出が強く起こり、相対的に自然放出光は抑制されるが、信号光パワが小さいときには自然放出光が抑制されないので、自然放出光による雑音が問題となっていた。これに対し、図７のように可飽和吸収部１０２を付加した構成では、信号光パワが小さいときの自然放出光による雑音を低減することが可能になる。
【０００３】
また、非線形光学効果を用いた高速の全光機能素子の実現に向けて図８に示すような半導体光増幅器を用いた可飽和吸収動作の高速化方法が提案されている（宇佐見他：半導体光増幅器を用いた可飽和吸収動作の高速化；光学、Vol.27、No.3号、pp.148-pp.149 、1998）。これは、信号光１０９より長い波長のアシスト光１１０を合波器１１１で合波して半導体光増幅器（ＳＯＡ）１０７へ入射させることによって、吸収励起によって生成したキャリアに誘導放出を生じさせ、キャリア寿命時間の短縮化を行う方法である。即ち、半導体光増幅器１０７に少量の注入電流を流しておき、アシスト光１１０として利得が０の波長の光を照射する。この状態で信号光としてロス領域の波長のパルスを入射させると、その吸収により内部のキャリア密度が上昇し信号光の吸収係数が減少し、アシスト光に利得が生じ誘導放出が起こる。その結果、生成キャリアは誘導放出光として半導体光増幅器１０７から高速に除去される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術にはいくつかの問題点がある。
【０００５】
まず、図７の半導体光増幅器には次のような問題点がある。
【０００６】
（１）信号光パワが小さいときの雑音特性は改善されるが、逆に利得は可飽和吸収部によって低下してしまう。即ち、信号光パワに対する利得及び雑音の制御方法が確立されていない。
【０００７】
（２）増幅された信号光パワの大きさを一定に制御することができない。
【０００８】
（３）光ファイバ増幅器に比して利得が低い。
【０００９】
また、図８の構成は、光パルス信号のスイッチングや雑音除去や波形整形に関するものであり、光増幅器の実現を目指したものではない。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、低雑音特性を持った半導体光増幅器を提供することにある。
【００１１】
【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、順方向電流が注入されている半導体光増幅部に信号光を入射させ、前記半導体光増幅部で増幅された信号光を逆方向電圧が印加されている半導体可飽和吸収部に通して出射させる半導体光増幅器において、前記半導体光増幅部に入射させる前の前記信号光から、その１／１０〜１／１００の範囲の光パワを取り出して第１の光・電気変換回路で電気信号に変換し、その電気信号により、前記信号光の光パワが大きいときには前記逆方向電圧を小さくなるように制御し、前記信号光の光パワが小さいときには前記逆方向電圧を大きくなるように制御すると同時に、前記半導体光増幅部で増幅された信号光の光パワの一部を取り出して第２の光・電気変換回路で電気信号に変換し、その電気信号に応じて前記半導体光増幅部の前記順方向電流を制御するものである。
【００１２】
上記目的を達成するために本発明は、順方向電流が注入されている半導体光増幅部に波長多重された信号光を入射させ、前記半導体光増幅部で増幅された信号光を逆方向電圧が印加されている半導体可飽和吸収部に通して出射させる半導体光増幅器において、前記波長多重された信号光中の特定の波長の信号光のみを取り出して光・電気変換回路で電気信号に変換し、その電気信号により、前記信号光の光パワが大きいときには前記逆方向電圧を小さくなるように制御し、前記信号光の光パワが小さいときには前記逆方向電圧を大きくなるように制御すると同時に、前記半導体光増幅部で増幅された信号光の光パワの一部を取り出して第２の光・電気変換回路で電気信号に変換し、その電気信号に応じて前記半導体光増幅部の前記順方向電流を制御するものである。
また、上記目的を達成するために本発明は、順方向電流が注入されている半導体光増幅部に波長多重された信号光を入射させ、前記半導体光増幅部で増幅された信号光を逆方向電圧が印加されている半導体可飽和吸収部に通して出射させる半導体光増幅器において、前記半導体光増幅部に入射させる前の前記波長多重された信号光中の特定の波長の信号光のみを取り出して光・電気変換回路で電気信号に変換し、その電気信号により、前記信号光の光パワが大きいときには前記逆方向電圧を小さくなるように制御し、前記信号光の光パワが小さいときには前記逆方向電圧を大きくなるように制御すると同時に、前記半導体光増幅部で増幅された信号光の光パワの一部を取り出して第２の光・電気変換回路で電気信号に変換し、その電気信号に応じて前記半導体光増幅部の前記順方向電流を制御するものである。
【００１３】
また、前記半導体可飽和吸収部の後に第二の半導体光増幅部を設けたものであってもよい。また、前記半導体光増幅部の素子長がＬ1、前記半導体可飽和吸収部の素子長がＬ2、及び、前記第二の半導体光増幅部の素子長がＬ3であり、前記各素子長がＬ1＞Ｌ3＞Ｌ2の関係を満足するものであってもよい。
【００１４】
前記半導体光増幅部に入射させる波長多重された信号光に前記半導体光増幅部のロス領域の波長を持つ監視光を重畳させ、前記半導体光増幅部の出力側で前記監視光を取り出してもよい。
【００１５】
前記半導体光増幅部に入射させる波長多重された信号光に前記半導体光増幅部のゲイン領域の短波長側か長波長側かの波長を持つ監視光を重畳させ、前記半導体光増幅部の出力側で前記監視光を取り出してもよい。
【００１６】
【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。
【００１７】
図１に示されるように、本発明の低雑音半導体光増幅器は、入力光伝送路１に接続されている半導体光増幅部（光増幅部）２と、光増幅部２の後に設けられ出力光伝送路４に接続されている半導体可飽和吸収部（可飽和吸収部）３と、入力光伝送路１より信号光の一部を取り出すカプラ５−１と、取り出した信号光を電気信号に変換する光・電気変換回路（Ｏ／Ｅ）６−１と、可飽和吸収部３に印加する逆方向電圧を駆動する逆方向電圧駆動回路７と、電気信号に応じて逆方向電圧を制御する制御回路８とからなる。
【００１８】
この構成において、光増幅部２には、順方向電流端子９よりしきい値以下の順方向電流（Ｉｋ）が注入され、可飽和吸収部３には、逆方向電圧駆動回路７より逆方向電圧（−Ｖｋ）が印加される。順方向電流（Ｉｋ）は、光増幅部２で最大利得が得られるよう設定されている。逆方向電圧（−Ｖｋ）は、信号光パワに応じて調整され、増幅された信号光中の雑音が常に低くなるよう制御されている。即ち、光増幅部２へ入射する前の信号光１０の光パワの一部をカプラ５−１で取り出して矢印のごとく光・電気変換回路６−１へ入射させ、その光・電気変換回路６−１の出力電気信号を制御回路８へ送り、この制御回路８の出力信号で逆方向電圧駆動回路７を制御する。
【００１９】
なお、図１に破線で示したように、出力光伝送路４より信号光１１の一部を取り出すカプラ５−２と、取り出した信号光を電気信号に変換する光・電気変換回路（Ｏ／Ｅ）６−２とを設け、光増幅部２で増幅され可飽和吸収部３に通して出射された信号光１１の光パワの一部をカプラ５−２で取り出して矢印のごとく光・電気変換回路６−２へ入射させ、その光・電気変換回路６−２の出力電気信号を制御回路８へ送るようにしてもよい。
【００２０】
逆方向電圧駆動回路７の制御方法は、信号光１０（或いは信号光１１）の光パワが大きいときには、逆方向電圧（−Ｖｋ）が０に近い値になるようにし、逆に、上記信号光の光パワが小さいときには、逆方向電圧（−Ｖｋ）は０よりも十分に小さく（即ち、Ｖｋの値は大きく）なるようにする。このようにするのは、信号光パワが大きいときには誘導放出が強く起こり、自然放出光は抑制されて小さいために、可飽和吸収部３での吸収は小さくてもよく、逆に、信号光パワが小さいときには自然放出光による雑音が顕著になるので、可飽和吸収部３での吸収を強く起こさせるためである。
【００２１】
なお、カプラ５−１（或いはカプラ５−２）で取り出す光パワは、信号光１０（或いは信号光１１）の１／１０から１／１００の範囲が好ましい。取り出す光パワが大きいと、増幅された信号光１１の光パワが小さくなるからである。
【００２２】
また、信号光が波長λ１からλｎを用いて波長多重された信号光である場合には、上記波長λ１からλｎの中の特定の波長の信号光のみを取り出す波長選択性のあるカプラ、例えば光分波器を用いるようにしてもよい。
【００２３】
次に、図２を用いて本発明の他の実施形態を説明する。
【００２４】
図２の構成は、図１の構成に対し、カプラ５−１及び光・電気変換回路６−１と、カプラ５−２及び光・電気変換回路６−２とをともに設け、光増幅部２に注入する順方向電流を駆動する順方向電流駆動回路１２と、光・電気変換回路６−２からの電気信号に応じて順方向電流を制御する制御回路１３とを設けたものである。
【００２５】
この場合、光増幅部２へ入射する前の信号光１０の光パワの一部をカプラ５−１で取り出し光・電気変換回路６−１で変換した電気信号を制御回路８へ送り、この制御回路８の出力信号で逆方向電圧駆動回路７を制御すると同時に、増幅された信号光１１の光パワの一部をカプラ５−２で取り出し光・電気変換回路６−２で変換した電気信号を制御回路１３へ送り、この制御回路１３の出力信号で順方向電流駆動回路１２を制御することになる。このようにして逆方向電圧だけでなく順方向電流を調節することにより、増幅された信号光１１の光パワを常に一定となるよう制御しつつ雑音を抑制することができる。
【００２６】
図３は、本発明の低雑音半導体光増幅器の垂直断面構造を示したものである。この低雑音半導体光増幅器は、１．５μｍ帯用、１．６μｍ帯用の半導体光増幅器であり、図示のように、光増幅部２と可飽和吸収部３とが電極分離溝３１で互いに分離され、光増幅部２にはしきい値電流以下の順方向電流（Ｉｋ）が注入され、可飽和吸収部３には逆方向電圧（−Ｖｋ）が印加されている。この半導体光増幅器は、光増幅部２及び可飽和吸収部３の電極３２−１，３２−２、電極直下のＩｎＧａＡｓＰコンタクト層３３、ＩｎＰ（ｐ）クラッド層３４、ＩｎＧａＡｓＰの活性層３５、ＩｎＰ（ｎ）クラッド層３６、ＩｎＰ（ｎ+ ）基板３７、下面電極３８を積層してなる。光増幅部２及び可飽和吸収部３の端面には無反射コーティング層３９−１，３９−２が施されている。信号光１０は、無反射コーティング層３９−１が施された活性層３５の端面に入射され、増幅された信号光１１は、無反射コーティング層３９−２が施された活性層３５の端面より出射される。
【００２７】
なお、上記実施形態では、光増幅部２及び可飽和吸収部３の活性層３５に、バルク活性層構造を用いているが、多重量子井戸構造、歪量子井戸構造を用いることもできる。また、基板３７にはＩｎＰ系基板を用いて１．５μｍ帯用、１．６μｍ帯用の半導体光増幅器を構成したが、基板３７にＧａＡｓ系基板を用い１．３μｍ帯用の半導体光増幅器を構成することもできる。
【００２８】
図４の構成は、図２の低雑音半導体光増幅器のさらなる高利得化・広帯域化を目的とするもので、光増幅部に入射させる信号光に監視光を重畳させ、この監視光を出力側で取り出すようにしたものである。図２と同一符号は同一部材を示す。この低雑音半導体光増幅器は、光増幅部２に信号光１０と監視光１４とが共に入射されるように構成されている。信号光１０は、１波のみの場合や波長λ１からλｎを用いて波長多重されている場合があるが、これらの信号光の波長は光増幅部２のゲイン領域と呼ばれる波長域（利得が得られる波長域）から選ばれる。これに対し、監視光１４の波長λｓは光増幅部２のロス領域と呼ばれる波長域（利得が得られない波長域）から選ばれる。そして、この監視光１４の光パワはできる限り高い方が望ましい。その理由は、監視光１４の光パワが高いほど、信号光１０の増幅利得を高める効果があり、また、信号光１０の増幅波長帯域を拡大する効果があり、さらに、信号光１０の光パワが低いときの増幅利得を高める効果及び雑音低減効果があるからである。
【００２９】
信号光１０に監視光１４を重畳させるための構成は、入力光伝送路１にＷＤＭカプラ（図示せず）を設ける。このＷＤＭカプラを通して監視光用の光源から出力された波長λｓの監視光１４を信号光１０に重畳させる。出力側には、出力光伝送路４にＷＤＭカプラ１５を設け、ＷＤＭカプラ１５からの分波光をモニタする光・電気変換回路１６を設ける。可飽和吸収部３から出力される増幅された信号光１１と監視光１４とから、監視光１４のみをＷＤＭカプラ１５で分波して取り出し、光・電気変換回路１６でモニタする。このように監視光１４を常時モニタしていれば、低雑音半導体光増幅器の動作状態を監視することができると共に動特性もモニタすることができる。一方、ＷＤＭカプラ１５の出力光伝送路４側には増幅された信号光１１のみ出力される。
【００３０】
図５の構成は、本発明の低雑音半導体光増幅器のさらなる高利得化・広帯域化を目的とするもので、可飽和吸収部の後に第二の光増幅部を設けたものである。即ち、入力光伝送路１に接続される前段光増幅部２−１、光増幅部２−１の後に配置される可飽和吸収部３、可飽和吸収部３に配置され出力光伝送路４に接続される後段光増幅部２−２を有する。入力光伝送路１には、信号光１０に監視光１４を重畳させるためのＷＤＭカプラ１７が設けられ、監視光用の光源として電気・光変換回路（Ｅ／Ｏ）１８が設けられている。制御回路８，１３は省略され、光・電気変換回路６−１の出力が直接、逆方向電圧駆動回路７に接続され、光・電気変換回路６−２の出力が直接、順方向電流駆動回路１２に接続されている。この順方向電流駆動回路１２は後段光増幅部２−２に接続されている。
【００３１】
この構成では、後段光増幅部２−２から取り出された出力光の一部をカプラ５−２で取り出し、この取り出した光を光・電気変換回路６−２で電気信号に変換し、この電気信号を後段光増幅部２−２の順方向電流駆動回路１２へ送り、この順方向電流駆動回路１２を調節することによって後段光増幅部２−２の増幅利得を制御し、増幅された信号光１１の光パワを一定値にすることができる。これにより、前段光増幅部２−１で信号光を増幅した後、可飽和吸収部３で信号光に含まれている雑音を低減させ、その後に、後段光増幅部２−２で補助的に信号光を増幅してより高い利得を得ることができる。光増幅部が２つあるので、それぞれの光増幅部を効率良く動作させてさらなる高利得化・広帯域化を図ることができる。図５の構成は、利得、雑音、安定性に対する制御の自由度がひろがったものとなっている。
【００３２】
図６は、図５の低雑音半導体光増幅器の垂直断面構造を示したものである。
【００３３】
この低雑音半導体光増幅器は、前段光増幅部２−１、可飽和吸収部３及び後段光増幅部２−２が電極分離溝３１−１，３１−２で互いに分離されている。電極は、電極３２−１，３２−２，３２−３の３つに分割され、前段光増幅部２−１には順方向電流Ｉｋ1 、後段光増幅部２−２には順方向注入電流Ｉｋ2 がそれぞれ注入され、可飽和吸収部３には逆方向電圧−Ｖｋが印加される。前段光増幅部２−１、可飽和吸収部３及び後段光増幅部２−２の素子長は、それぞれＬ1 、Ｌ2 、Ｌ3 であり、これら素子長はＬ1 ＞Ｌ3 ＞Ｌ2 の関係を満足する。
【００３４】
本発明は、これまでに述べた実施形態に限定されるものではない。例えば、図４の構成において、監視光１４の波長λｓを光増幅部２のロス領域から選んだが、光増幅部２のゲイン領域の短波長側、長波長側のいずれかの波長域から選ぶようにしてもよい。このようにすることによって、信号光パワの低いときの雑音をさらに改善することができる。この場合には、出力光伝送路４にカプラ５−２は必要なく、ＷＤＭカプラ１５を用いて監視光１４を取り出し、この取り出した光を光・電気変換回路１６で電気信号に変換し、この電気信号を制御回路１３へ入力し、この制御回路１３の出力信号で順方向電流駆動回路１２を制御するようにしてもよい。図５の構成においても、監視光１４の波長λｓを光増幅部２のゲイン領域の短波長側、長波長側のいずれかの波長域から選ぶようにしてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００３６】
（１）信号光パワの広い範囲にわたって利得および雑音を制御することができる。即ち、利得は信号光パワに応じて光増幅部の順方向電流を調節することによって制御することができ、雑音も信号光パワに応じて可飽和吸収部の逆方向電圧を調節することによって制御することができる。
【００３７】
（２）増幅された信号光の光パワの大きさを一定に制御することができる。
【００３８】
（３）信号光に監視光を重畳させ、かつ出力側でその監視光を取り出してモニタすることにより、低雑音半導体光増幅器の動作を常時監視することができる。また、監視光の波長を低雑音半導体光増幅器のロス領域の波長域から選び、その光パワを調節することによって、さらなる低雑音化、高利得化、広帯域化を実現することができる。また、監視光の波長を低雑音半導体光増幅器のゲイン領域の短波長側か長波長側かの波長に選ぶことによって、信号光パワの低いときの雑音を改善することができる。
【００３９】
（４）可飽和吸収部の前後に光増幅部を設けることにより、高利得特性を得ることができ、かつそのときの信号光の光パワの大きさを一定に制御することができる。
【００４０】
（５）信号光に監視光を重畳しているので、信号光パワが非常に微弱な場合に低雑音半導体光増幅器の出力の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の劣化を押さえることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す低雑音半導体光増幅器の構成図である。
【図２】本発明の他の実施形態を示す低雑音半導体光増幅器の構成図である。
【図３】図１の低雑音半導体光増幅器の垂直断面構造図である。
【図４】本発明の他の実施形態を示す低雑音半導体光増幅器の構成図である。
【図５】本発明の他の実施形態を示す低雑音半導体光増幅器の構成図である。
【図６】図５の低雑音半導体光増幅器の垂直断面構造図である。
【図７】従来の半導体光増幅器の構成図である。
【図８】従来の半導体光増幅器応用技術の構成図である。
【符号の説明】
２  半導体光増幅部（光増幅部）
３  半導体可飽和吸収部（可飽和吸収部）
５−１、５−２  カプラ
６−１、６−２  光・電気変換回路（Ｏ／Ｅ）
７  逆方向電圧駆動回路
８、１３  制御回路
１２  順方向電流駆動回路
１５、１７  ＷＤＭカプラ
【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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