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JP3633296B2 - Broadband semiconductor optical amplifier - Google Patents
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JP3633296B2 JP20672898A JP20672898A JP3633296B2 JP 3633296 B2 JP3633296 B2 JP 3633296B2 JP 20672898 A JP20672898 A JP 20672898A JP 20672898 A JP20672898 A JP 20672898A JP 3633296 B2 JP3633296 B2 JP 3633296B2
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Description

【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9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10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)。
【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9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10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が積層され、この上部クラッド層上に上部電極が装荷され、前記基板下に下部電極が装荷され、前記上部電極より前記活性層に電流を注入して前記活性層中を伝搬する光を増幅する半導体光増幅器において、前記活性層が光の伝搬方向に並ぶ3つの活性層に分割され、前記3つの活性層は、組成成分が互いに共通でエネルギ・ギャップがそれぞれ異なる材料で構成され、光の入射側に位置する第一活性層には光の伝搬方向に層厚が減ずるテーパ部Aが形成され、光の出射側に位置する第三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Cが形成され、前記第一活性層と前記第三活性層との中間に位置する第二活性層には、光の伝搬方向とは逆方向に層厚が減ずるテーパ部Dと光の伝搬方向に層厚が減ずるテーパ部Bとが形成され、前記テーパ部Aと前記テーパ部Dとが光結合するように互いに接して積層され、かつ前記テーパ部Bと前記テーパ部Cとが光結合するように互いに接して積層されているものである。
【0012】
前記第一活性層の入射端の層厚と前記第三活性層の出射端の層厚とが互いに等しいか近似してもよい。
【0013】
前記3つの活性層は、材料の組成比が互いに異なることによりエネルギ・ギャップが互いに異なってもよい。
【0014】
前記第一活性層のエネルギ・ギャップと前記第三活性層のエネルギ・ギャップとがほぼ等しくてもよい。
【0015】
前記テーパ部Aと前記テーパ部Dとの光結合部の上部電極に分離溝が設けられ、かつ前記テーパ部Bと前記テーパ部Cとの光結合部の上部電極に分離溝が設けられることにより、上部電極が3つに分離され、分離されたそれぞれの上部電極より独立に電流を注入できてもよい。
【0016】
前記活性層の入出射端に窓領域が設けられてもよい。
【0017】
前記活性層がバルク構造、量子井戸構造又は歪量子井戸構造からなってもよい。
【0018】
前記第一活性層と前記第二活性層との間及び前記第二活性層と前記第三活性層との間に障壁層が設けられてもよい。
【0019】
【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。
【0020】
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。
【0021】
本発明の特徴として、活性層3が光の伝搬方向に並ぶ3つの活性層3−1,3−2,3−3に分割されている。光の入射側に位置する活性層3−1を第一活性層と呼び、出射側に位置する活性層3−3を第三活性層と呼び、第一活性層と第三活性層との中間に位置する活性層3−2を第二活性層と呼ぶことにする。これら3つの活性層3−1,3−2,3−3は、上面と下面とがInP(n)基板1に平行な一定層厚部と、この一定層厚部に連なり先細りしたテーパ部A,B,C,Dを有する。第一活性層3−1には入射端を構成する一定層厚部と光の伝搬方向に層厚が減ずるテーパ部Aが形成され、第三活性層3−3には出射端を構成する一定層厚部と光の伝搬方向とは逆方向に層厚が減ずるテーパ部Cが形成され、第二活性層3−2には、光の伝搬方向とは逆方向に層厚が減ずるテーパ部Dと一定層厚部と光の伝搬方向に層厚が減ずるテーパ部Bとが形成されている。テーパ部Aは、InP(n)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、テーパ部Dは、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、これらテーパ部A,Dは、互いに基板1に平行な面同士を合わせて積層されている。また、テーパ部Cは、InP(n)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、テーパ部Bは、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、これらテーパ部C,Bは、互いに基板1に平行な面同士を合わせて積層されている。各テーパ部A,B,C,Dの厚さがなくなる先端は、積層される相手の活性層3−1,3−2,3−3の一定層厚部に達している。このような活性層同士の積層による光結合部分を光結合部と呼ぶことにする。
【0022】
また、本発明の特徴として、これら3つの活性層3−1,3−2,3−3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、第一活性層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λlとなるような材料In1−x GaAs1−y で構成され、第二活性層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λmとなるような材料In1−q GaAs1−r で構成され、第三活性層3−3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λsとなるような材料In1−v GaAs1−w で構成されている。バンド・ギャップ波長λlは、バンド・ギャップ波長λmよりも長く、バンド・ギャップ波長λmはバンド・ギャップ波長λsより長いものとする。
【0023】
このように、本発明の広帯域半導体光増幅器は、バンド・ギャップ波長の異なる3種類の活性層3−1,3−2,3−3をカスケードに構成し、各テーパ部の水平面が相手の活性層に接するように各活性層を積層して光結合させてある。この構成により、第一活性層3−1内に入射して伝搬する信号光10は、第二活性層3−2に効率良く光結合して第二活性層3−2内を伝搬する。さらに、第二活性層3−2内を伝搬した信号光は、活性層3−3に効率良く光結合して第三活性層3−3内を伝搬する。第三活性層3−3から、増幅された信号光11が出射される。
【0024】
この広帯域半導体光増幅器は、各活性層のバンド・ギャップ波長が異なるので、それぞれの活性層で異なる中心波長の利得特性を有することになり、全体として波長の広帯域に亘って平坦な利得特性を得ることができる。
【0025】
3つの活性層3−1,3−2,3−3のバンド・ギャップ波長λl,λm,λsを異ならせる方法として、材料In1−x GaAs1−y 、材料In1−q GaAs1−r 及び材料In1−v GaAs1−w のx,y,q,r,v,w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3つの活性層3−1,3−2,3−3を構成する。
【0026】
また、バンド・ギャップ波長λl,λm,λs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。
【0027】
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。
【0028】
図2に示した広帯域半導体光増幅器は、図1の構成において第三活性層3−3の材料を変更したものであり、図1と符号の同じ部材は同一部材であるから説明を省略する。図2の構成では、第三活性層(符号を3−1に改めてある)に第一活性層3−1と同じ材料を使用している。この広帯域半導体光増幅器は、左右対称の構造を有していることから、入射光10を無反射コーティング層8−1,8−2のいずれから入射しても同等の作用効果を得ることができる。
【0029】
図3に示した広帯域半導体光増幅器は、図1の構成において各活性層の上下位置関係を変更したものである。即ち、図1では、第一活性層3−1と第三活性層3−3とが第二活性層3−2より下に位置していたが、図2では、第一活性層3−1と第三活性層3−3とが第二活性層3−2より上に位置している。この構成を得るための製造工程では、第二活性層3−2を形成した後に第一活性層3−1(又は第三活性層3−3)を形成し、次いで第三活性層3−3(又は第一活性層3−1)を形成することになる。
【0030】
図4に示した広帯域半導体光増幅器は、図3の構成において図2の構成と同様に第三活性層(3−1)に第一活性層3−1と同じ材料を使用している。
【0031】
図5に示した広帯域半導体光増幅器は、図1の構成においてテーパ部Aとテーパ部Dとの光結合部及びテーパ部Bとテーパ部Cとの光結合部の上部電極6にそれぞれ電極分離溝12−1,12−2を設けて3つの上部電極6−1,6−2,6−3に分離し、分離されたそれぞれの上部電極より独立に電流Ik,Ik,Ikを注入できるように、端子9−1,9−2,9−3を設けたものである。この構成により、3つの活性層3−1,3−2,3−3には互いに独立な電流Ik,Ik,Ikが注入されるので、各活性層における利得を独立に制御することができる。このように利得特性の中心波長の異なる活性層毎に独立に電流を注入して利得を独立に制御することによって、全体の利得特性を平坦にすることが容易になる。即ち、従来技術の利得特性を約3倍の帯域に広げることができる。
【0032】
図6に示した広帯域半導体光増幅器は、図2の構成と同様に第三活性層(3−1)に第一活性層3−1と同じ材料を使用したものについて、図5の構成と同様に電極分離溝12−1,12−2を設けて3つの上部電極6−1,6−2,6−3を分離形成し、独立に電流Ik,Ik,Ikを注入できるようにしたものである。
【0033】
図7に示した広帯域半導体光増幅器は、図3の構成と同様に各活性層の上下位置関係を変更したものについて、図5の構成と同様に電極分離溝12−1,12−2を設けて3つの上部電極6−1,6−2,6−3を分離形成し、独立に電流Ik,Ik,Ikを注入できるようにしたものである。
【0034】
図8に示した広帯域半導体光増幅器は、図4の構成と同様に各活性層の上下位置関係を変更し、かつ第三活性層(3−1)に第一活性層3−1と同じ材料を使用したものについて、図5の構成と同様に電極分離溝12−1,12−2を設けて3つの上部電極6−1,6−2,6−3を分離形成し、独立に電流Ik,Ik,Ikを注入できるようにしたものである。
【0035】
上記各実施形態において、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。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】
さらに、図1〜図8の構成において、活性層3−1,3−3の下部にInGaAsP光導波路を設け、第二活性層3−2の上部にInGaAsP光導波路を設け、かつこれら光導波路の屈折率を各活性層の屈折率よりも低い値にしておくとよい。このような構成にすると、各活性層間の光の伝搬を効率良く行わせることができる。
【0038】
また、図1〜図8の構成において、活性層3の入射端及び出射端付近に、活性層3が途切れた形のいわゆる窓領域を形成してもよい。窓領域は、活性層3を水平方向に挟むクラッド層と同じ材料でクラッド層と連続一体的に形成される。窓領域を設けることによって、利得の偏波依存性を小さくすることができる。
【0039】
さらに、図1〜図8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テーパ構造型光導波部を付加してもよい。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。
【0040】
【発明の効果】
本発明は、次の如き優れた効果を発揮する。
【0041】
(1)活性層を3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3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3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。
【0042】
(2)上部電極を分離することにより、3つの波長帯の光増幅部をそれぞれ独立に制御できるので、高利得で平坦な利得特性を得ることができる。
【0043】
(3)3つの活性層がテーパ部を接して積層されるという非常に効率のよい結合方式で結合され、しかも、この光結合部からの反射光は生じない構造であるので、非常に安定に動作する光増幅器を実現することができる。
【0044】
(4)簡素な構造であるため、製造が容易であり、低コスト化を期待できる。
【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光の伝搬方向に沿った垂直断面図である。
【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】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8】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9】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10】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 第一活性層(第三活性層)
3−2 第二活性層
3−3 第三活性層
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
12−1、12−2 電極分離溝
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor optical amplifier in which light propagating in an active layer is amplified by injecting a current into the active layer, and more particularly, a broadband semiconductor optical amplifier having a flat gain characteristic over a wide band. It is about.
[0002]
[Prior art]
Research and development of high-speed, large-capacity, long-distance transmission systems using wavelength division multiplexing and optical devices used therefor are actively conducted. A broadband optical amplifier is an indispensable device for realizing the above system. As this optical amplifier, a semiconductor optical amplifier that can be expected to be reduced in size and cost is attracting attention, and many proposals regarding a configuration for widening the bandwidth have been made. One of them is shown in FIG. 9 (Japanese Patent Laid-Open No. 4-291983). In the semiconductor optical amplifier, the active layers 43a and 43b and the optical waveguides 42a, 42b, 44a, and 44b are provided with a portion where one or a plurality of refractive indexes change in the middle of the light traveling direction of one or both of these. A composite resonator in which each is optically coupled between the portions where the refractive index changes is formed. Further, electrodes 46a and 46b are provided in each of the above-described composite resonators, and the resonance peak of the composite resonator can be independently controlled by the current injected from each electrode.
[0003]
As another configuration for broadening the bandwidth, as shown in FIG. 10, the active layer 64 has a laminated structure of two or more layers (66, 68), and the layers 66, 68 constituting the active layer are the same. There has been proposed a structure in which the composition is made of materials having different energy gaps, and the film thicknesses of the respective layers are set to the same value or close to each other (Japanese Patent Laid-Open No. 3-76186).
[0004]
Further, JP-A-6-283824 discloses an optical confinement layer having an active region, a plurality of quantum well layers in which at least one layer is different in thickness from other layers and lattice mismatched, and between each quantum well layer. A structure composed of a barrier layer formed in contact with a quantum well layer has also been proposed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional method for broadening the bandwidth of a semiconductor optical amplifier has the following problems.
[0006]
(1) Although it is considered that the configuration of FIG. 9 can obtain a certain level of flat gain characteristics in the wavelength range of 20 to 30 nm, it is not possible to expect a wider band than that. This is because the material of the active layer of the first resonator and the material of the active layer of the second resonator are the same. Also, it is difficult to make the materials of these two resonators different from each other in terms of manufacturing method.
[0007]
(2) In the configuration of FIG. 10, the active layer 64 has a laminated structure of two or more layers having different energy gaps, so that the bandwidth is increased. However, the total thickness of the laminated active layers is inevitably increased. Therefore, the light confinement effect in the thickness direction is weakened, and the light output is reduced due to an increase in threshold current.
[0008]
(3) The configuration of JP-A-6-283824 has the same problem as (2).
[0009]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a broadband semiconductor optical amplifier that solves the above-described problems and has a flat gain characteristic over a wide band.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention comprises a substrate having a lower clad layer, an active layer and an upper clad layer stacked thereon, an upper electrode loaded on the upper clad layer, and a lower electrode loaded on the substrate. in the semiconductor optical amplifier for amplifying light propagating through the active layer by injecting a current into the active layer from the upper electrode, the active layer is divided into three active layers aligned in the propagation direction of the light, the three The active layer is composed of materials having common composition components and different energy gaps, and the first active layer located on the light incident side is formed with a tapered portion A in which the layer thickness decreases in the light propagation direction, The third active layer located on the light exit side is formed with a tapered portion C whose thickness decreases in the direction opposite to the light propagation direction, and is located between the first active layer and the third active layer. The second active layer has a light propagation direction and A taper portion D in which the layer thickness decreases in the opposite direction and a taper portion B in which the layer thickness decreases in the light propagation direction are formed, and the taper portion A and the taper portion D are stacked in contact with each other so as to be optically coupled, In addition, the tapered portion B and the tapered portion C are laminated in contact with each other so as to be optically coupled.
[0012]
The thickness of the incident end of the first active layer and the thickness of the exit end of the third active layer may be equal or approximate to each other.
[0013]
The three active layers may have different energy gaps due to different composition ratios of materials.
[0014]
The energy gap of the first active layer and the energy gap of the third active layer may be substantially equal.
[0015]
A separation groove is provided in the upper electrode of the optical coupling portion between the taper portion A and the taper portion D, and a separation groove is provided in the upper electrode of the optical coupling portion between the taper portion B and the taper portion C. The upper electrode may be divided into three, and current may be injected independently from each of the separated upper electrodes.
[0016]
A window region may be provided at an incident / exit end of the active layer.
[0017]
The active layer may have a bulk structure, a quantum well structure, or a strained quantum well structure.
[0018]
A barrier layer may be provided between the first active layer and the second active layer and between the second active layer and the third active layer.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0020]
As shown in FIG. 1, a broadband semiconductor optical amplifier according to the present invention includes an InP (n) clad layer 2, an active layer 3, and an InP as an upper clad layer on an InP (n + ) substrate 1. (P) A cladding layer 4 and an InGaAsP contact layer 5 are stacked, an upper electrode 6 is loaded on the InGaAsP contact layer 5, and a lower electrode 7 is loaded under the InP (n + ) substrate 1. Reference numerals 8-1 and 8-2 denote non-reflective coating layers applied to the light incident end face and the light exit end face, and 9 denotes a terminal for injecting a forward current Ik equal to or lower than the threshold current. Reference numeral 10 denotes signal light incident on the incident end face, and reference numeral 11 denotes amplified signal light emitted from the outgoing end face.
[0021]
As a feature of the present invention, the active layer 3 is divided into three active layers 3-1, 3-2 and 3-3 arranged in the light propagation direction. The active layer 3-1 located on the light incident side is called a first active layer, the active layer 3-3 located on the emission side is called a third active layer, and an intermediate between the first active layer and the third active layer. The active layer 3-2 located at is referred to as a second active layer. These three active layers 3-1, 3-2, and 3-3 have a constant layer thickness portion whose upper surface and lower surface are parallel to the InP (n + ) substrate 1, and a taper portion that tapers continuously to the constant layer thickness portion. A, B, C, D. The first active layer 3-1 is formed with a constant layer thickness portion constituting the incident end and a tapered portion A in which the layer thickness is reduced in the light propagation direction, and the third active layer 3-3 is formed with the constant end portion constituting the emission end. A taper portion C is formed in which the layer thickness decreases in a direction opposite to the light propagation direction, and the second active layer 3-2 has a taper portion D in which the layer thickness decreases in the direction opposite to the light propagation direction. And a constant layer thickness portion and a tapered portion B in which the layer thickness decreases in the light propagation direction. The taper portion A has an upper surface parallel to the InP (n + ) substrate 1 and a lower surface inclined until the thickness disappears, and the taper portion D is inclined until the thickness disappears and the lower surface parallel to the substrate 1. The taper portions A and D are stacked such that the surfaces parallel to the substrate 1 are aligned with each other. Further, the taper portion C has an upper surface parallel to the InP (n + ) substrate 1 and a lower surface inclined until the thickness disappears, and the taper portion B has a lower surface parallel to the substrate 1 and no thickness. The taper portions C and B are laminated such that the surfaces parallel to the substrate 1 are aligned with each other. The tips where the thicknesses of the respective taper portions A, B, C, and D are lost reach the constant layer thickness portions of the stacked active layers 3-1, 3-2, and 3-3. Such an optical coupling portion formed by stacking active layers will be referred to as an optical coupling portion.
[0022]
Further, as a feature of the present invention, these three active layers 3-1, 3-2 and 3-3 are made of materials having the same composition component and different energy gaps. That is, the first active layer 3-1 includes In, Ga, As, and P as composition components, and is composed of a material In 1-x Ga x As 1-y P y having a band gap wavelength of λl. is, the second active layer 3-2, in a composition component, Ga, as, has a P, a material such as a band-gap wavelength is λm in 1-q Ga q as 1-r P r The third active layer 3-3 includes In, Ga, As, and P as composition components, and is composed of a material In 1-v Ga v As 1-w P w having a band gap wavelength of λs. Has been. The band gap wavelength λl is longer than the band gap wavelength λm, and the band gap wavelength λm is longer than the band gap wavelength λs.
[0023]
Thus, the wideband semiconductor optical amplifier of the present invention comprises three types of active layers 3-1, 3-2 and 3-3 having different band gap wavelengths in cascade, and the horizontal surface of each taper portion is the active activity of the counterpart. Each active layer is laminated and optically coupled so as to be in contact with the layers. With this configuration, the signal light 10 that enters and propagates into the first active layer 3-1 is efficiently optically coupled to the second active layer 3-2 and propagates through the second active layer 3-2. Further, the signal light propagated in the second active layer 3-2 is optically coupled to the active layer 3-3 efficiently and propagates in the third active layer 3-3. The amplified signal light 11 is emitted from the third active layer 3-3.
[0024]
Since the band gap wavelength of each active layer is different in this wideband semiconductor optical amplifier, each active layer has a gain characteristic of a different center wavelength, and as a whole, a flat gain characteristic is obtained over a wide band of wavelengths. be able to.
[0025]
Three band gap wavelength λl of the active layer 3-1, 3-2, 3-3, lambda] m, as a method of varying the [lambda] s, the material In 1-x Ga x As 1 -y P y, materials an In 1-q Ga q As 1-r P r and materials u in 1-v Ga v As 1-w P w of x, y, q, r, v, varying the value of w. That is, the three active layers 3-1, 3-2, and 3-3 are made of materials having common composition components but different energy gaps.
[0026]
Further, as a method of making the band gap wavelengths λl, λm, and λs different, the composition ratio of the materials may be made different.
[0027]
Next, another embodiment of the broadband semiconductor optical amplifier of the present invention will be described.
[0028]
The broadband semiconductor optical amplifier shown in FIG. 2 is obtained by changing the material of the third active layer 3-3 in the configuration of FIG. 1, and the same members as those in FIG. In the configuration of FIG. 2, the same material as that of the first active layer 3-1 is used for the third active layer (reference numeral is changed to 3-1). Since this broadband semiconductor optical amplifier has a bilaterally symmetric structure, even if the incident light 10 is incident from any of the non-reflective coating layers 8-1 and 8-2, the same effect can be obtained. .
[0029]
The broadband semiconductor optical amplifier shown in FIG. 3 is obtained by changing the vertical positional relationship of each active layer in the configuration of FIG. That is, in FIG. 1, the first active layer 3-1 and the third active layer 3-3 are located below the second active layer 3-2, but in FIG. And the third active layer 3-3 are located above the second active layer 3-2. In the manufacturing process for obtaining this configuration, the first active layer 3-1 (or the third active layer 3-3) is formed after forming the second active layer 3-2, and then the third active layer 3-3. (Or the first active layer 3-1) is formed.
[0030]
The broadband semiconductor optical amplifier shown in FIG. 4 uses the same material as that of the first active layer 3-1 for the third active layer (3-1) in the configuration of FIG. 3 as in the configuration of FIG.
[0031]
The broadband semiconductor optical amplifier shown in FIG. 5 has electrode separation grooves in the optical coupling portion between the tapered portion A and the tapered portion D and the upper electrode 6 in the optical coupling portion between the tapered portion B and the tapered portion C in the configuration of FIG. It was separated into three upper electrodes 6-1, 6-2 and 6-3 provided 12-1 and 12-2, injecting a current Ik 1, Ik 2, Ik 3 independently from each of the upper electrodes separated Terminals 9-1, 9-2, and 9-3 are provided so as to be able to. With this configuration, mutually independent currents Ik 1 , Ik 2 , and Ik 3 are injected into the three active layers 3-1, 3-2, and 3-3, so that the gain in each active layer can be controlled independently. Can do. As described above, by independently injecting current into each active layer having a different center wavelength of the gain characteristic and controlling the gain independently, it becomes easy to flatten the entire gain characteristic. That is, the gain characteristic of the conventional technique can be expanded to about three times the band.
[0032]
The broadband semiconductor optical amplifier shown in FIG. 6 uses the same material as the first active layer 3-1 for the third active layer (3-1) as in the configuration of FIG. the three upper electrodes 6-1, 6-2 and 6-3 are provided with an electrode separation grooves 12-1 and 12-2 formed separately, so that it can inject current Ik 1, Ik 2, Ik 3 independently It is a thing.
[0033]
The broadband semiconductor optical amplifier shown in FIG. 7 is provided with electrode separation grooves 12-1 and 12-2 in the same manner as in FIG. three upper electrode 6-1, 6-2 and 6-3 were separated form Te is obtained by allowing current injection Ik 1, Ik 2, Ik 3 independently.
[0034]
The broadband semiconductor optical amplifier shown in FIG. 8 changes the vertical positional relationship of each active layer similarly to the configuration of FIG. 4, and the same material as the first active layer 3-1 in the third active layer (3-1). In the same manner as in the configuration of FIG. 5, the electrode separation grooves 12-1 and 12-2 are provided to separate and form the three upper electrodes 6-1, 6-2, and 6-3, and the current Ik independently. 1 , Ik 2 , and Ik 3 can be injected.
[0035]
In each of the above embodiments, the active layer 3 may use any of a bulk structure, a quantum well structure, or a strained quantum well structure. If a strained quantum well structure is used for the active layer 3, the polarization dependence of the gain can be kept low.
[0036]
A barrier layer may be provided between the two active layers 3-1 and 3-2. By inserting a barrier layer between the two active layers 3-1 and 3-2, it is possible to further increase the bandwidth and make the polarization dependent.
[0037]
1 to 8, an InGaAsP optical waveguide is provided below the active layers 3-1 and 3-3, an InGaAsP optical waveguide is provided above the second active layer 3-2, and The refractive index is preferably set to a value lower than the refractive index of each active layer. With such a configuration, it is possible to efficiently propagate light between the active layers.
[0038]
1 to 8, a so-called window region in which the active layer 3 is interrupted may be formed in the vicinity of the incident end and the emission end of the active layer 3. The window region is continuously and integrally formed with the cladding layer using the same material as the cladding layer sandwiching the active layer 3 in the horizontal direction. By providing the window region, the polarization dependence of gain can be reduced.
[0039]
Further, in the configurations of FIGS. 1 to 8, a tapered structure type optical waveguide for spot size conversion may be added to the entrance end and the exit end of the broadband semiconductor optical amplifier. The optical waveguide section for spot size conversion is obtained by gradually changing the core cross-sectional area of the optical waveguide so as to have a target spot size. For example, the optical waveguide section has the same thickness as the active layer 3 of the broadband semiconductor optical amplifier. The core is gradually changed to approach the spot size of the input / output optical fiber. In this way, the optical coupling between the optical waveguide and the optical fiber is efficient, and the optical coupling between the optical waveguide and the broadband semiconductor optical amplifier is efficient, so the optical coupling between the optical fiber and the broadband semiconductor optical amplifier is efficient. Get better.
[0040]
【The invention's effect】
The present invention exhibits the following excellent effects.
[0041]
(1) By dividing the active layer into three active layers and arranging them in the light propagation direction, it is possible to connect three optical amplification units having different wavelength bands in cascade, and these three optical amplification units are integrated. Therefore, an unprecedented ultra-wideband semiconductor optical amplifier can be realized.
[0042]
(2) By separating the upper electrode, the optical amplifiers in the three wavelength bands can be controlled independently, so that a high gain and flat gain characteristic can be obtained.
[0043]
(3) Since the three active layers are coupled by a very efficient coupling method in which the three active layers are stacked in contact with each other, and the reflected light from the optical coupling portion is not generated, the structure is very stable. A working optical amplifier can be realized.
[0044]
(4) Since the structure is simple, manufacturing is easy and cost reduction can be expected.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a vertical cross-sectional view along a light propagation direction of a broadband semiconductor optical amplifier showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a vertical sectional view along a light propagation direction of a broadband semiconductor optical amplifier showing another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a vertical cross-sectional view along a light propagation direction of a broadband semiconductor optical amplifier showing another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a vertical sectional view along a light propagation direction of a broadband semiconductor optical amplifier showing another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a vertical cross-sectional view along a light propagation direction of a broadband semiconductor optical amplifier showing another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a vertical sectional view along a light propagation direction of a broadband semiconductor optical amplifier showing another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a vertical cross-sectional view along a light propagation direction of a broadband semiconductor optical amplifier showing another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a vertical cross-sectional view along a light propagation direction of a broadband semiconductor optical amplifier showing another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a vertical cross-sectional view along the light propagation direction of a conventional semiconductor optical amplifier.
FIG. 10 is a vertical sectional view perpendicular to the light propagation direction of a conventional semiconductor optical amplifier.
[Explanation of symbols]
1 InP (n + ) substrate 2 InP (n) cladding layer (lower cladding layer)
3 Active layer 3-1 First active layer (third active layer)
3-2 Second active layer 3-3 Third active layer 4 InP (p) cladding layer (upper cladding layer)
5 InGaAsP contact layers 6, 6-1 and 6-2 Upper electrode 7 Lower electrodes 8-1 and 8-2 Anti-reflective coating layers 12-1 and 12-2 Electrode separation grooves

Claims (8)

基板上に下部クラッド層、活性層及び上部クラッド層が積層され、この上部クラッド層上に上部電極が装荷され、前記基板下に下部電極が装荷され、前記上部電極より前記活性層に電流を注入して前記活性層中を伝搬する光を増幅する半導体光増幅器において、前記活性層が光の伝搬方向に並ぶ3つの活性層に分割され、前記3つの活性層は、組成成分が互いに共通でエネルギ・ギャップがそれぞれ異なる材料で構成され、光の入射側に位置する第一活性層には光の伝搬方向に層厚が減ずるテーパ部Aが形成され、光の出射側に位置する第三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Cが形成され、前記第一活性層と前記第三活性層との中間に位置する第二活性層には、光の伝搬方向とは逆方向に層厚が減ずるテーパ部Dと光の伝搬方向に層厚が減ずるテーパ部Bとが形成され、前記テーパ部Aと前記テーパ部Dとが光結合するように互いに接して積層され、かつ前記テーパ部Bと前記テーパ部Cとが光結合するように互いに接して積層されていることを特徴とする広帯域半導体光増幅器。A lower clad layer, an active layer and an upper clad layer are laminated on a substrate, an upper electrode is loaded on the upper clad layer, a lower electrode is loaded under the substrate, and current is injected into the active layer from the upper electrode Then, in the semiconductor optical amplifier that amplifies the light propagating in the active layer, the active layer is divided into three active layers arranged in the light propagation direction, and the three active layers have the same composition component and energy. The third active layer is formed of a material having different gaps, and the first active layer located on the light incident side is formed with a tapered portion A whose thickness decreases in the light propagation direction, and is located on the light emission side Is formed with a tapered portion C whose thickness decreases in the direction opposite to the light propagation direction, and the second active layer located between the first active layer and the third active layer has a light propagation direction. A taper portion D in which the layer thickness decreases in the opposite direction; A taper portion B whose thickness decreases in the propagation direction is formed, the taper portion A and the taper portion D are stacked in contact with each other so as to be optically coupled, and the taper portion B and the taper portion C are formed. A broadband semiconductor optical amplifier characterized by being stacked in contact with each other so as to be optically coupled. 前記第一活性層の入射端の層厚と前記第三活性層の出射端の層厚とが互いに等しいか近似していることを特徴とする請求項記載の広帯域半導体光増幅器。Claim 1, wherein the broadband semiconductor optical amplifier, characterized in that the thickness of the exit end of the first active layer thickness and the third active layer of the entrance end of the are close or equal to each other. 前記3つの活性層は、材料の組成比が互いに異なることによりエネルギ・ギャップが互いに異なる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。It said three active layers, according to claim 1 or 2 wherein the wideband semiconductor optical amplifier, characterized in that the energy gap differ from each other by the composition ratio of the material differ from each other. 前記第一活性層のエネルギ・ギャップと前記第三活性層のエネルギ・ギャップとがほぼ等しいことを特徴とする請求項1〜いずれか記載の広帯域半導体光増幅器。Claim 1-3 or according broadband semiconductor optical amplifier and the energy gap of the first active layer and the energy gap of the third active layer is equal to or substantially equal. 前記テーパ部Aと前記テーパ部Dとの光結合部の上部電極に分離溝が設けられ、かつ前記テーパ部Bと前記テーパ部Cとの光結合部の上部電極に分離溝が設けられることにより、上部電極が3つに分離され、分離されたそれぞれの上部電極より独立に電流を注入できることを特徴とする請求項1〜いずれか記載の広帯域半導体光増幅器。A separation groove is provided in the upper electrode of the optical coupling portion between the taper portion A and the taper portion D, and a separation groove is provided in the upper electrode of the optical coupling portion between the taper portion B and the taper portion C. , the upper electrode is divided into three, according to claim 1-4 or according broadband semiconductor optical amplifier, characterized in that it injecting current independently from each of the upper electrodes separated. 前記活性層の入出射端に窓領域が設けられていることを特徴とする請求項1〜いずれか記載の広帯域半導体光増幅器。Claim 1-5 or according broadband semiconductor optical amplifier, wherein the window region is provided at the input and output end of the active layer. 前記活性層がバルク構造、量子井戸構造又は歪量子井戸構造からなることを特徴とする請求項1〜いずれか記載の広帯域半導体光増幅器。The active layer is a bulk structure, according to claim 1 to 6 or according broadband semiconductor optical amplifier, characterized in that a quantum well structure or a strained quantum well structure. 前記第一活性層と前記第二活性層との間及び前記第二活性層と前記第三活性層との間に障壁層が設けられていることを特徴とする請求項1〜いずれか記載の広帯域半導体光増幅器。Claim 1-7, wherein any one, wherein a barrier layer is provided between the third active layer and between the second active layer and said second active layer and the first active layer Broadband semiconductor optical amplifier.
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