JPH02226233A - 半導体光増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザ光増幅器に関するものである。

〔従来の技術］ レーザ増幅器においては信号光成分の他に自然放出光成
分が存在し、雑音の増大の要因となっている。

そのため、従来の半導体レーザ増幅器を用いる場合には
、第１６図に示す様に半導体レーザ増幅器１００の後部
に自然放出光を除去する光周波数フィルタ１０１を配置
していた。この場合、第１７図（ａ）に示すような、入
力光信号として中心波長λ。を中心に鋭いスペクトルを
有する光信号１０２を入射しても、半導体レーザ増幅器
１００の出力光１０３は第１７図（ｂ）に示すように、
中心波長λ。に存在する信号増幅光成分の他に、広い波
長範囲にわたる自然放出光成分が重畳することになる。

このような自然放出光の存在はレーザ増幅器の多段化と
ともに、信号光のＳ／Ｎの劣化につながるため、フィル
タ１０１を通過させてできるだけ除去する。その結果、
第１７図（ｃ）に示すような、自然放出光が除去された
中心波長λ。付近の信号光成分のみの出力光１０４を得
ることができる。

また、第１８図に示すように、レーザ増幅チャンネル導
波部と入出力チャンネル導波路間を方向性結合器によっ
て結合させるというものが、いくつか提案されている（
例えば、ＵＳＰ　４，６８０，７６９（Ｓ、Ｅ、Ｍｉｌ
ｌｅｒ　：　１９８７）、　ＵＳＰ　４，７４７，６５
０　（Ｋ、５ａｋｕｄａ：　１９８８）　）。この場合
、レーザ増幅器は、第１８図に示すように、入出力導波
路１１０および１１１と増幅部を有するレーザ増幅導波
路１１２から構成され、両導波路間は方向性結合が行な
われ、信号波長のみの選択が行なわれる。入力信号光１
１３は効率良くレーザ増幅導波路に結合され、増幅後、
出力信号光１１６として取り出される。この際に発生す
る自然放出光（第１８図中、破線）は導波路終端で散乱
され、基板に吸収されることになる。

［発明が解決しようとしている課題］ 上述した従来の技術において、光周波数フィルタを使用
する場合は、光周波数フィルタなレーザ増幅器の外部に
取り付けるため調整が煩雑である。また、光周波数フィ
ルタとして用いる通常の干渉フィルタは、波長選択幅が
１００Ａ−前後であり、狭帯域化が難しく、狭帯化した
場合にも挿入損失が大きくなるという欠点を有していた
。さらに、半導体レーザ増幅器として両端面に無反射処
理（ＡＲ）を施した進行波型のレーザ増幅器を用いる場
合には、反射による性能劣化が著しく、挿入する光学デ
バイスからの反射を防ぐため光周波数フィルタ１０１を
斜めに配置するなどの工夫を必要とした。

また、方向性結合器を用いる場合では、２つの導波路の
間隔を精度良く設定し、かつ、結合長を精度良く設定し
なければ所望の波長選択、結合効率が得られないという
本質的問題があり、作製は困難を極めていた。

本発明は、上記従来の技術の有する欠点に鑑みてなされ
たもので、Ｓ／Ｎが良好で、波長多重化に対応した増幅
機能を有する半導体光増幅器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］ 本発明の半導体光増幅器は、 グレーティング結合器を備えた第１のチャンネル導波路
と、該第１のチャンネル導波路のグレーティング結合器
と光結合するグレーティング結合器および光増幅器を備
えた第２のチャンネル導波路とを有し、前記グレーティ
ング結合器間の光結合は、前記第１．第２のチャンネル
導波路間に形成されるスラブ状導波路を介して行なうも
のであり、さらに、前記各チャンネル導波路の光波入出
力端部がそれぞれ反射防止膜を備えたもの、前記第２の
チャンネル導波路に設けられたグレーティング結合器の
終端がテーパー化されているもの、前記グレーティング
結合器が複数の異なる周期のグレーティングにより形成
されているものである。

〔作用〕

本発明は、光増幅器を備えたチャンネル導波路とそのチ
ャンネル導波路に光結合するチャンネル導波路を有し、
両導波路を空間的に分離した配置にしておき、両導波路
間をグレーティング結合器によって結合させることによ
って、信号波長の光成分のみを出力側導波路に導入し、
不要な自然放出光成分を除去し、雑音を軽減するもので
ある。

また、グレーティング結合器を複数の異なる周期のグレ
ーティングで構成した場合、波長多重化された光信号か
ら複数の所望の波長の光信号成分を同時に選択して増幅
することができる。

［実施例］ 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は本発明による第１実施例を示す斜視図である。

本実施例の半導体光増幅器は、第１図に示すように、電
流注入のための電極７が部分的に設けられた増幅部およ
び一端に傾斜グレーティング結合器５ａを備えた、第２
のチャンネル導波路である増幅チャンネル導波路４と受
動的導波路であって傾斜グレーティング結合器５ｂを備
えた光波出力用の第１のチャンネル導波路である出力チ
ャンネル導波路６とを有しており、両導波路４．６間に
はスラブ状の導波路が形成されている。また、第１図に
おいて、１はｎ型ＧａＡｓ基板、２は活性層を含むＧａ
Ａｓ／ＡｌＧａＡｓエビ膜、３ａ、　３ｂは反射防止の
ための誘電体膜ＳｉＯｘである。

この場合、外部からの入力光８は増幅チャンネル導波路
４に入力されて光増幅を受け、増幅チャンネル導波路４
の傾斜グレーティング結合器５ａにより、所望の波長の
光信号成分のみが選択的に回折されて増幅チャンネル導
波路４と出力チャンネル導波路６との間のスラブ導波路
にスラブ導波光９として取り出され、さらに、対面する
出力チャンネル導波路６に構成された傾斜グレーティン
グ結合器５ｂによって出力チャンネル導波路６に結合さ
れて無反射処理が施されている出力端から出力信号光１
０として取り出される。

このように、対面する傾斜グレーティング結合器５ａ、
　５ｂを設けることによって、半導体光増幅器内部で生
ずる信号波長以外の自然放出光を除去することが可能と
なる。増幅チャンネル導波路４の傾斜グレーティング結
合器５ａ側の端面ば不必要な反射によって光増幅器の性
能を悪化させないようにテーパ化しておき、不要な自然
放出光１１を基板１に吸収させるようにすることが必要
である。このようなチャンネル導波路の無反射端処理の
方法はこの他、斜めの反射面を設けて反射結合を除去す
るなどの方法がある。

第２図は第１図に示したＡ−Ａ’線断面図であり、増幅
チャンネル導波路４の増幅部であるリッジチャンネル導
波路部の断面構造を示している。１はｎ型ＧａＡｓ基板
、１３はＧａＡｓ活性層、１４は導波路を形成するＳＣ
（ｓｅｐａｒａｔｅ　ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）層、１
５．１６はそれぞれｎ型、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
、１７はＧａＡｓキャップ層、７．１８は電極である。

１２は絶縁のための５ｉＪ４膜である。電極７からの電
流注入によってリッジ下部のＧａＡｓ活性層１３でゲイ
ンを有する光増幅部が形成される。

第３図は第１図に示したＢ−Ｂ’線断面図であり、グレ
ーティング結合器５ａ、　５ｂの断面構造を示している
。２つのチャンネル導波路にはグレーティング結合器５
ａ、　５ｂが形成されており、両チャンネル導波路４．
６間はスラブ状の導波路となる。グレーティング結合器
５ａに入射した光波はブラッグ回折され、スラブ導波光
９として放射されグレーティング結合器５ｂによって出
力チャンネル導波路６に結合される。

第４図は同グレーティ５ング結合部の平面図である。第
４図において、グレーティング結合器５ａの傾斜角はチ
ャンネル入射光１９とスラブ導波光９とがブラッグ条件
を満足する様に設定されている。

第５図はブラッグ条件を示すベクトル図である。第５図
において、βＣおよびβＳはそれぞれグレーティング内
での入射光と放射光の伝搬定数、Ｋはグレーティングベ
クトルであり、グレーティング周期をΔとすると、ＩＫ
Ｉ＝２π／Δで表わされる。

このような、チャンネル導波路とスラブ導波路を結合す
るグレーティング結合器に関しては提案特許（提案Ｎｏ
、　ＣＪＹＯＮｏ、　８５６２９．８５６３０）に詳細
の記述がある。

次に、本発明の第２実施例について説明する。

本実施例は、第６図に示すように、半導体光増幅器とし
て双方向の増幅を可能とするため、３つのチャンネル導
波路３０．３１．３２を設けており、入出力部であるチ
ャンネル導波路３０．３２それぞれに波長選択グレーテ
ィング３３ａ、　３４ｂを形成し、波長選択グレーティ
ング３３ｂ、　３４ａおよび光増幅部３５を有する光増
幅チャンネル導波路３１をチャンネル導波路３０．３２
と分離することによって不要な自然放出光を除去してい
る。

本実施例では、入出力チャンネル導波路３０側から入射
された光波３６は、入出力チャンネル導波路３０および
光増幅チャンネル導波路３１により波長選択、光増幅さ
れて入出力チャンネル導波路３２側から光波３７として
出射され、入出力チャンネル導波路３２側から入射され
た光波３８は入出力チャンネル導波路３２および光増幅
チャンネル導波路３１により波長選択、光増幅されて入
出力チャンネル導波路３０側から光波３９として出射さ
れ、双方向の光伝送に対応した光増幅を可能としている
。但し、この場合、双方向伝搬する光波の波長は等しい
か、あるいは波長選択グレーティング３３ａ、　３３ｂ
、　３４ａ。

３４ｂの波長選択幅の中に収まっている必要がある。

このように、入出力部の両方で波長選択を行うことによ
って波長選択がより鋭くなり、光増幅チャンネル導波路
が入出力チャンネル導波路と完全に分離していることか
ら、自然放出光の除去がより確実となるものである。ま
た、入出力チャンネル導波路と光増幅チャンネル導波路
を分離することによって、入出力端の光分布の最適化と
光増幅部の導波路構造の最適化を独立に行うことが可能
となり、光フアイバ結合などにおいて高効率化を図るこ
とができる。

次に、本発明の第３実施例について説明する。

本実施例では、第７図に示すように、グレーティング結
合部での光結合が逆方向結合されている。すなわち、光
波３６は入力チャンネル導波路７０を右方向に伝搬し、
グレーティング結合器４０ａによって回折された後、光
増幅チャンネル導波路３１では左方向に伝搬する光波に
変換されている。さらに、光増幅チャンネル導波路３１
から出力チャンネル導波路７１への結合についても同様
に逆方向結合されている。

本実施例のグレーティング結合部は、第８図に示すよう
に、隣接する２つのチャンネル導波路において、一方の
チャンネル導波路８Ｉから右方向へ入射した光波８３は
他方のチャンネル導波路８２で左方向へ出射する光波８
４に変換される。

前述した第１．第２実施例においてはグレーティングベ
クトルの方向をほぼ一定としていたが、本実施例におい
てはグレーティングベクトルの方向が互いに異なるグレ
ーティングの組み合わせを用いている。

第８図に示したグレーティング結合器４０ａ、　４０ｂ
におけるブラッグ条件を満足する光波のベクトルダイヤ
グラムを第９図に示す。第９図において、β１．β２は
第８図に示したチャンネル導波路８１８２の伝搬定数、
βＳは両導波路８１．８２間のスラブ導波路の伝搬定数
、Ｋｌ、に２はグレーティング結合器４０ａ、　４０ｂ
のグレーティングベクトルであり、それぞれのグレーテ
ィング周期なΔ１．Δ２とすると、その大きさは、ｌＫ
＋１＝２π／Δ１、Ｋ、ｌ＝２π／Δ２で表わされる。

上述のようなグレーティング結合部からスラブ導波路へ
出射する光波の強度分布は、第１０図に示す様に、伝搬
方向に減衰する空間的分布を持っている。

まず、第１０図（ｃ）に示すようなグレーティングによ
る光波の逆方向結合においては、第１０図（ｄ）に示す
様に、第１のグレーティング結合器４０ａによってスラ
ブ部分に出射する光波４３の強度分布を第２のグレーテ
ィング結合器４０ｂによって結合される光波の最適強度
分布（最も結合効率が高くなる分布）と近づけることが
可能になるため、両チャンネル導波路８１．８２間の結
合を高めることができる。一方、第１０図（ａ）に示す
ような同方向結合においては、第１０図（ｂ）に示す様
に、出射スラブ光８５の光強度分布と最適光強度分布は
お互いに反対称となるため、基本的に強度分布の一致は
困難であり、グレーティング端面のテーパ化等によって
効率を制御して平坦な強度分布に近づける以外に方法が
ない。

以上のように、逆方向グレーティング結合を用いること
によって結合効率を高めることが可能となる。

次に、本発明の第４実施例について、第１１図を参照し
て説明する。

本実施例は、入力チャンネル導波路７０および出力チャ
ンネル導波路７１に対して光増幅チャンネル導波路３１
が比較的大きな角度を形成して光結合することを特徴と
している。このように、互いに大きな角度を持ってチャ
ンネル導波路間を光結合することによってクロストーク
を減少させるなどの効果が得られる。

次に、本発明の第５実施例について、第１２図、第１３
図を参照して説明する。

本実施例では、本発明を波長多重化光デバイスに適用し
た例を示している。

まず、第１２図を参照して説明する。この場合、波長λ
、の入力光信号４６と波長λ２の入力光信号４７が波長
多重化されており、入力チャンネル導波路７０に入射結
合する。入力チャンネル導波路７０には、異なる周期の
グレーティング結合器４２ａ、　４３ａが設けられてお
り、それぞれの光信号の波長λ１゜λ２に対してブラッ
グ条件を満足するように周期Δ１．Δ２が設定しである
。波長多重化光信号は対応するグレーティング結合器４
２ａ、　４３ａで回折され、スラブ導波路へ結合された
後、光増幅チャンネル導波路３１に設けられた対向する
部分のグレーティング結合器４２ｂ、　４３ｂで再び回
折され、光増幅部に導入されて増幅される。増幅後は所
望の光信号波長のみが、グレーティング結合器４４ａ、
　４５ａで選択されて出力チャンネル導波路７１に導入
されて出力光信号として出力される。

したがって、光増幅チャンネル導波路３１の光増幅部で
発生する自然放出光成分のうち、光信号の波長λ１．λ
２以外の光は除去される。

つづいて、第１３図を参照すると、ここでは、光増幅チ
ャンネル導波路４８．４９をそれぞれの波長λｌ、λ２
に対応させて個別に構成した例を示している。このよう
に波長多重化信号をそれぞれ個別に光増幅することによ
り、設計の自由度を高′めることか可能となる。一般に
、２つ以上の波長が入射した場合、光増幅部におけるゲ
インは等しくならないため、出力レベルの等化は難しい
という問題点があったが、光増幅チャンネル導波路を波
長毎に設けることによって、ゲインの等化は電流制御に
よって容易になる。また、光増幅部においては高出力化
に伴ってキャリア密度の変調が起こり、光信号間のクロ
ストークが生じるが、波長分離増幅を行うことによって
、光出力レベルを高めることも可能となる。

本実施例では、簡単のため２波長光増幅について説明し
たが、３波長以上の光波長多重も可能であり、双方向光
増幅にも対応できることは言うまでもない。

次に、本発明の第６実施例について、第１４図を参照し
て説明する。

上述までの各実施例においては入出力チャンネル導波路
は互いに分離されており、光増幅チャンネル導波路を介
して結合されていたが、光増幅部の電流注入が行えない
ような「故障」が生じた場合には光信号は大きな損失を
受け、情報の伝送が行えなくなるという本質的問題があ
る。本実施例ではこのような故障の対策として、第１４
図に示すように、入力光の、一部をそのまま出力させる
とともに、その一部を選択増幅させ、出力側で合波させ
るように構成されており、透過光５１と増幅光５２が合
波されて出力される。これによって、光増幅部へ電流注
入が行えない故障が生じて増幅光５２が消失したとして
も、透過光５１は出力可能となる。本実施例では、入出
力光導波路５０に設けられたグレーティング結合器５３
ａ、　５３ｂは波長選択型の分岐として動作しており、
正常動作時には増幅光５２が太きいため透過光５１の合
波は問題とならないが、光路の構成は干渉系を形成し、
２つの光波の光路差の変化によって出力光はリップルを
生ずる場合がある。このリップル変動は電流注入量の調
整によって押さえることが可能であり、ゲインを確保す
る意味で、電流注入領域を２分し、増幅部と位相制御領
域に対応させている。

次に、本発明の第７実施例について、第１５図を参照し
て説明する。

本実施例では、第１５図に示すように、入出力チャンネ
ル導波路５５および５６において波長選択された光信号
の一部を光増幅チャンネル導波路５７に結合し、他の一
部を光検出器を含む検出用チャンネル導波路５８．５９
に導入し、光信号の検出を行う。光検出部は構造的には
光増幅部と同一であるが、逆バイアスを印加することに
よって光検出を行っている。本実施例の光増幅器を、例
えば光パスライン上に挿入することによって光信号のタ
ップが可能となる。また、このタップによって生じた分
岐損失は光増幅によって補うことができる。

本実施例においては、光検出器を一体化した例を示した
が、光送信部としての発光素子などを−体化、あるいは
これらを複合化した光デバイスに対しても適用できる。

また、波長多重化した送受信部の一体化も可能であるこ
とは言うまでもない。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明は下記のような効果を奏する
ものである。

■　請求項１記載のものにより、光増幅部で発生する不
要な自然放出光を除去し、所望の波長の入力信号光のみ
を選択増幅することが可能となり、Ｓ／Ｎの向上、出力
レベルの増大が図れるとともに、チャンネル導波路間の
クロストークを押えるための空間的分離が容易となり、
高性能な光増幅器を提供することができる。

■　請求項２および３記載のものにより、不要な光の反
射による光増幅器の性能劣化を防止できるとともに、光
増幅器で発生する自然放出光を基板に吸収させて除去す
ることができる。

■　請求項４記載のものにより、波長分離増幅が可能と
なって分離した光信号毎に利得の確保が可能となり、波
長多重化に対応した増幅機能を有する集積型の光ノード
として動作することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す斜視図、第２図は第
１図のＡ−Ａ’断面図、第３図は第１図のＢ−８’断面
図、第４図はグレーティング結合部の拡大図、第５図は
グレーティングベクトル図、第６図は本発明の第２実施
例を示す斜視図、第７図は本発明の第３実施例を示す斜
視図、第８図はグレーティング結合部の拡大図、第９図
はグレーティングベクトル図、第１０図は同方向結合と
逆方向結合の光強度分布を示す説明図、第１１図は本発
明の第４実施例を示す斜視図、第１２図、第１３図は第
５実施例を示す斜視図、第１４図は第６実施例を示す斜
視図、第１５図は第７実施例を示す斜視図、第１６図〜
第１８図は従来例を説明する図である。 １−　ｎ型ＧａＡｓ基板、 ２−ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ　エビ層、３ａ、　３ｂ・
・・誘電体膜、 ２　。 ５ａ、　５ｂ・・・傾斜グレーティング結合器、６・・
・出力チャンネル導波路、 ７．１８・・・電極、 ８　、４６．４７・・・入力光、 ９．８５・・・スラブ導波光、 １０・・・出力信号光、 １１・・・自然放出光、 １２・・・Ｓｉ３Ｎ４絶縁膜、 １３・ＧａＡｓ活性層、 １４・・・ＳＣ層、 １５・ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、 １６・ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、 １７・・・ＧａＡｓキャップ層、 １９・・・チャンネル入射光、 ３０、３２．５５．５６・・・入出力チャンネル導波路
、３１、４８．４９．５７・・・光増幅チャンネル導波
路、３３ａ、　３３ｂ、　３４ａ、　３４ｂ−・・波長
選択グレーティング、３５・・・光増幅部、 ３６３７．３８，３９，８３．８４・・・光波、４０ａ
　〜４５ａ　　４０ｂ〜４５ｂ　　５３ａ　５３ｂ　５
４ａ　５４ｂ−グレーティング結合器、 ５０・・・入出力光導波路、 ５１・・・透過光、 ５２・・・増幅光、 ５８、５９・・・検出用チャンネル導波路、７０・・・
入力チャンネル導波路、 ７１・・・出力チャンネル導波路、 ８１、８２・・・チャンネル導波路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、グレーティング結合器を備えた第１のチャンネル導
   波路と、該第１のチャンネル導波路のグレーティング結
   合器と光結合するグレーティング結合器および光増幅器
   を備えた第２のチャンネル導波路とを有し、前記グレー
   ティング結合器間の光結合は、前記第１、第２のチャン
   ネル導波路間に形成されるスラブ状導波路を介して行な
   うことを特徴とする半導体光増幅器。 ２、各チャンネル導波路の光波入出力端部がそれぞれ反
   射防止膜を備えたことを特徴とする請求項１記載の半導
   体光増幅器。 ３、光増幅器を有する第２のチャンネル導波路に設けら
   れたグレーティング結合器の終端がテーパー化されてい
   ることを特徴とする請求項１または２記載の半導体光増
   幅器。 ４、グレーティング結合器が複数の異なる周期のグレー
   ティングにより形成されていることを特徴とする請求項
   １、２または３記載の半導体光増幅器。