光増幅装置
【課題】ＰＤＧが小さい光増幅器をえる。
【解決手段】入射光の入力及び出射光の出力を行う入出力部と、入出力部から入力された入射光の偏光成分を分岐して、第１の偏光を有する第１偏光モード光、及び、第１の偏光と異なる第２の偏光を有する第２偏光モード光を出力する偏光分離部と、第１偏光モード光が入力され、第１の偏光を第２の偏光に変換して、第１偏光変換光を出力する偏光変換部と、導波路の一方の端部に入力された第１偏光変換光が増幅されて他方の端部から出力され、他方の端部に入力された第２偏光モード光が増幅されて一方の端部から出力される、光増幅部と、を備え、光増幅部に入力される光の、単位強度当たりの利得の変化の絶対値が、０．１６ｄＢ／ｄＢｍ以下である半導体光増幅器を用いることにより、ＰＤＧ０．５ｄＢ以下の光増幅装置を提供する。
【解決手段】入射光の入力及び出射光の出力を行う入出力部と、入出力部から入力された入射光の偏光成分を分岐して、第１の偏光を有する第１偏光モード光、及び、第１の偏光と異なる第２の偏光を有する第２偏光モード光を出力する偏光分離部と、第１偏光モード光が入力され、第１の偏光を第２の偏光に変換して、第１偏光変換光を出力する偏光変換部と、導波路の一方の端部に入力された第１偏光変換光が増幅されて他方の端部から出力され、他方の端部に入力された第２偏光モード光が増幅されて一方の端部から出力される、光増幅部と、を備え、光増幅部に入力される光の、単位強度当たりの利得の変化の絶対値が、０．１６ｄＢ／ｄＢｍ以下である半導体光増幅器を用いることにより、ＰＤＧ０．５ｄＢ以下の光増幅装置を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光増幅装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
入力光をＴＥ偏光とＴＭ偏光とに分岐して、ＴＥ偏光をＴＥ偏光のまま、そして、ＴＭ偏光をＴＥ偏光に変換してから、ＳＯＡ（半導体光増幅器 Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）に入力する偏波ダイバーシティ回路を用いる光増幅装置が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
非特許文献１ K. Morito and S. Tanaka, "Record High Saturation Power (+22 dBm) and Low Noise Figure (5.7dB) Polarization-Insensitive SOA Module", IEEE PH OTONICS TECHNOLOGY LETTERS, 17, 6, 1298-1300, (2005)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＳＯＡにおける光の利得は、ＴＥ偏光とＴＭ偏光とで異なる。偏波ダイバーシティ回路を用いる光増幅装置においては、ＴＭ偏光はＴＥ偏光に変換されてからＳＯＡに入力される。これにより、偏光方向に起因する光利得の差を小さくすることができる。しかしＳＯＡにおける利得は、ＳＯＡに入力される光の強度にも依存することがある。そのため、偏波ダイバーシティ回路において、ＴＭ偏光からＴＥ偏光に変換されてＳＯＡに入力される光の強度と、分岐されてからＴＥ偏光のままでＳＯＡに入力される光の強度とに差があると、両者の利得に差が生じる。
【０００４】
偏光方向によって異なる利得は、ＰＤＧ（偏波依存利得 Polarization Dependent Gain）と呼ばれる。光増幅装置に入力される信号光の偏波方向がランダムに変化すると、ＰＤＧに起因して、光増幅装置から出力される光の強度が変動するので、信号のエラーの原因となる。したがって、信号のエラーを低減するために、ＰＤＧを小さくすることが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様においては、入射光の入力及び出射光の出力を行う入出力部と、入出力部から入力された入射光の偏光成分を分岐して、第１の偏光を有する第１偏光モード光、及び、第１の偏光と異なる第２の偏光を有する第２偏光モード光を出力する偏光分離部と、第１偏光モード光が入力され、第１の偏光を第２の偏光に変換して、第１偏光変換光を出力する偏光変換部と、導波路の一方の端部に入力された第１偏光変換光が増幅されて他方の端部から出力され、他方の端部に入力された第２偏光モード光が増幅されて一方の端部から出力される、光増幅部と、を備え、光増幅部に入力される光の、単位強度当たりの利得の変化の絶対値が、０．１６ｄＢ／ｄＢｍ以下である光増幅装置を提供する。
【０００６】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光増幅装置の模式的な上視図である。
【図２】ＳＯＡおよびＥＤＦＡをブースターアンプに用いた時の誤り率特性である。
【図３】第１の実施形態に係る光増幅装置の傾斜導波路の模式的な拡大図である。
【図４】第１の実施形態に係る光増幅装置の石英系光導波路の模式的な断面図である。
【図５】第１の実施形態に係る光増幅装置のＵターン導波路の模式的な断面図である。
【図６】第１の実施形態の係る光増幅装置が有する、第１の実施形態に係るＳＯＡの模式的な断面図である。
【図７】第１の実施形態に係るＳＯＡにおける閉じ込め係数と利得の非線形性の関係を示す図である。
【図８】第１の実施形態に係るＳＯＡにおけるメサ幅と利得の非線形性の関係を示す図である。
【図９】第１の実施形態に係るＳＯＡの長さと利得の非線形性の関係を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係るＳＯＡの模式的な断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係るＳＯＡの模式的な上視図である。
【図１２】第３の実施形態に係るＳＯＡの利得クランプ導波路における模式的な断面図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態に係るＳＯＡの光導波路における模式的な断面図である。
【図１４】第４の実施形態に係るＳＯＡの利得クランプ導波路における模式的な断面図である。
【図１５】本発明の第５の実施形態に係るＳＯＡの模式的な上視図である。
【図１６】本発明の第６の実施形態に係るＳＯＡの模式的な上視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００９】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光増幅装置１００の模式的な上視図である。光増幅装置１００は、サーキュレータ１０２、ＰＬＣ−ＰＢＳチップ１１０（石英系平面光波回路−偏波ビームスプリッタチップ）及びＳＯＡ−ＣＯＳ１４０（半導体光増幅器−チップ・オン・サブマウント）を備える。ＰＬＣ−ＰＢＳチップ１１０が有する導波路と、ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０が有する導波路とは、互いに結合されている。光増幅装置１００は、ＳＯＡ−ＰＬＣハイブリッド集積型偏波ダイバーシティ回路である。
【００１０】
サーキュレータ１０２は、入射光の入力及び出射光の出力を行う。光増幅装置１００に入力ＩＮから入力された入射光は、サーキュレータ１０２によって、入力ポート１１２に伝播される。入射光は非偏光の光である。また、出力ポート１１４からサーキュレータ１０２に伝播された出射光は、サーキュレータ１０２によって、出力ＯＵＴから出力される。
【００１１】
ＰＬＣ−ＰＢＳチップ１１０は、ＭＺＩ１２４（マッハツェンダー干渉計回路）、石英系光導波路１２６、石英系光導波路１２７、スリット１３０、半波長板１３２、石英系光導波路１４４、石英系光導波路１４５、及び、傾斜導波路１４６を有する。ＭＺＩ１２４は、入力ポート１１２、出力ポート１１４、カプラ１１６、一対のヒーター１２２、ＴＭ出力ポート１１８、及び、ＴＥ出力ポート１２０を有する。
【００１２】
一対のヒーター１２２は、ＭＺＩ１２４の２本のアームのそれぞれに配置され、カプラ１１６を介して、入力ポート１１２及び出力ポート１１４に結合される。また、ヒーター１２２は、入力ポート１１２及び出力ポート１１４の反対側で、カプラ１１６を介して、ＴＭ出力ポート１１８及びＴＥ出力ポート１２０に結合される。
【００１３】
ＴＭ出力ポート１１８に結合された石英系光導波路１２６は、半波長板１３２を介して、石英系光導波路１４４に結合される。半波長板１３２は、スリット１３０に形成され、石英系光導波路１２６と石英系光導波路１４４との間に設けられる。半波長板１３２によって、ＴＭ偏光がＴＥ偏光に変換される。石英系光導波路１４４は、傾斜導波路１４６に結合される。ＴＥ出力ポート１２０に結合された石英系光導波路１２７は、スリット１３０を介して、石英系光導波路１４５に結合される。石英系光導波路１４５は、傾斜導波路１４６に結合される。石英系光導波路１４４、石英系光導波路１４５及び傾斜導波路１４６は、埋込メサ構造を有する。
【００１４】
ＭＺＩ１２４は、２本のアームの間にΔΦの位相差を有する。ＭＺＩ１２４において複屈折が起こり、ＴＥ偏光の光及びＴＭ偏光の光の、それぞれのΔΦは、互いに異なる。ＴＥ偏光の該位相差をΔΦＴＥ、ＴＭ偏光の該位相差をΔΦＴＭとすると、｜ΔΦＴＥ−ΔΦＴＭ｜＝（２π／λ）Ｂ・Ｌで表される。ここで、λは波長、ＢはＭＺＩ中の複屈折率、ＬはＭＺＩ１２４のアーム長である。｜ΔΦＴＥ−ΔΦＴＭ｜＝（２ｎ＋１）π（ｎ：整数）であるとき、サーキュレータ１０２からＭＺＩ１２４に入力された非偏光の入射光は、ＭＺＩ１２４において偏光成分が分岐される。これにより、ＭＺＩ１２４において、ＴＥ偏光の光と、ＴＥ偏光と直交する偏光であるＴＭ偏光の光に分割される。ＴＥ偏光の光はＴＥ出力ポート１２０へ出力され、ＴＭ偏光の光は他方のＴＭ出力ポート１１８へ出力される。ＴＭ出力ポート１１８から出力されたＴＭ偏光の光は、半波長板１３２によってＴＥ偏光の光に変換される。
【００１５】
ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０は、シリコンベンチ１４２及びＳＯＡチップ１４８を有する。ＳＯＡチップ１４８は、シリコンベンチ１４２上に実装される。シリコンベンチ１４２への実装は、例えばハンダ実装である。ＳＯＡチップ１４８は、半導体光導波路１５０、２つのＳＯＡ１５４、及び、Ｕターン導波路１５２を有する。傾斜導波路１４６は、石英系光導波路１４４と半導体光導波路１５０との間に、石英系光導波路１４４に対して傾斜して形成される。
【００１６】
半導体光導波路１５０のＳＯＡ１５４側の一部は、石英系光導波路１４４に平行に形成される。半導体光導波路１５０の傾斜導波路１４６側の一部は、半導体光導波路１５０の他の部分に対して傾斜して形成される。半導体光導波路１５０の一方の端部はＳＯＡ１５４に結合される。２つのＳＯＡ１５４の、半導体光導波路１５０に結合された端部とは反対の端部は、それぞれ、円弧形状を有するＵターン導波路１５２に結合される。すなわち、２つのＳＯＡ１５４は、半導体のＵターン導波路１５２を介して結合される。Ｕターン導波路１５２は、導波路サイドの半導体コアがエッチングされたハイメサ構造を有する。
【００１７】
Ｕターン導波路１５２が円弧形状を有するＵターン部を形成するので、半導体光導波路１５０のＳＯＡ１５４と反対側の端部は、ＳＯＡチップ１４８の同一の辺に形成される。これにより、ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０のサイズを小さくすることができる。Ｕターン導波路１５２はハイメサ構造を有するので光の閉じ込めが強く、例えばＵターン導波路１５２の曲率半径を、例えば、１２５μｍとしても、曲げによる光損失を抑制することができる。これにより、光増幅特性および雑音特性の両方を良好にすることができる。
【００１８】
石英系光導波路１２６から出力され、半波長板１３２によって変換されたＴＥ偏光の光は、ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０の導波路の、半波長板１３２側の端部に入力される。すなわち、半波長板１３２によってＴＥ偏光に変換された光は、石英系光導波路１４４及び傾斜導波路１４６を介して、半波長板１３２側の半導体光導波路１５０に入力される。半波長板１３２側の石英系光導波路１４４に入力されたＴＥ偏光の光は、２つのＳＯＡ１５４で増幅されて、ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０の導波路の、入力された端部とは反対の他方の端部から出力される。
【００１９】
半波長板１３２が設けられていない側の石英系光導波路１２７から出力されたＴＥ偏光の光は、ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０の導波路の半波長板１３２が設けられていない側の端部に入力される。すなわち、石英系光導波路１２７から出力された光は、石英系光導波路１４５に入力される。石英系光導波路１４５に入力されたＴＥ偏光の光は、２つのＳＯＡ１５４で増幅されて、ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０の導波路の、入力された端部とは反対の一方の端部から出力される。以上のようにＳＯＡ−ＣＯＳ１４０は、導波路の両端から光が入力され、光が入力された端部とは反対の両端から増幅された光が出力される双方向入力型である。
【００２０】
ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０は、ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０に入力される光の強度の範囲内において、入力される光の単位強度当たりの利得の変化の絶対値が、０．１６ｄＢ／ｄＢｍ以下である。ここで、ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０に入力される光の強度の範囲は、例えば、−３０ｄＢｍ以上０ｄＢｍ以下である。また、入力される光の単位強度当たりの利得の変化は、入力される光の強度が１ｄＢｍ上昇したときの、利得の上昇値（ｄＢ）で表される。すなわち、入力される光の単位強度当たりの利得の変化は、入力される光の強度（ｄＢｍ）を横軸にとり、利得（ｄＢ）を縦軸にとったときの、グラフの傾きが単位強度当たりの利得の変化に当たる。また、入力される光の単位強度当たりの利得の変化は、利得（ｄＢ）を入力される光の強度（ｄＢｍ）の関数で表す式の微分値に相当する。光増幅装置１００のＰＤＧは、近似的に、ＰＤＧ（ｄＢ）＝ΔＧ（ｄＢ／ｄＢｍ）×３（ｄＢｍ）と表される。ここで、ΔＧは、単位強度当たりの利得の変化の絶対値（ｄＢ／ｄＢｍ）である。
【００２１】
ここで、偏波ダイバーシティ回路において、利得が最大になるのは、ＴＭ出力ポート１１８における光の強度と、ＴＥ出力ポート１２０における光の強度が等しいときである。この時の出力光は、Ｐｏｕｔ（ｄＢｍ）＝｛Ｐｉｎ（ｄＢｍ）−３｝＋｛ΔＧ×３＋Ｇ（ｄＢ）｝＋３（ｄＢ）と表現できる。ここでＰｏｕｔおよびＰｉｎは、それぞれ、出力光および入力光について、ＴＥモードの光の強度とＴＭモードの光の強度とを足し合わせたトータルの強度である。Ｇは入力Ｐｉｎにおける利得である。上記の式の右辺第１項目である、｛Ｐｉｎ（ｄＢｍ）−３｝は、ＴＥ及びＴＭの各ポートに入力される光強度を示している。入力光は、ＴＥ及びＴＭポートに等分配されるので、｛Ｐｉｎ（ｄＢｍ）−３｝となる。上記の式の右辺第２項目である、｛ΔＧ×３＋Ｇ（ｄＢ）｝は、ＴＥ及びＴＭ各ポートで得られる利得を表している。上記の式の右辺第３項目である３ｄＢは、サーキュレータ１０２の出力ポートでＴＥポートとＴＭポートが合波されて２倍になることに対応し、上記の式は、３（ｄＢ）を足した式となっている。一方、利得が最小になるは、入射光がＴＭ出力ポート１１８及びＴＥ出力ポート１２０の一方にのみ光が出力されるときである。このときの光出力は、Ｐｏｕｔ（ｄＢｍ）＝Ｐｉｎ（ｄＢｍ）＋Ｇ（ｄＢ）と表現できる。偏波ダイバーシティ回路において、利得が最大になるときの式から、利得が最小になるときの式を差し引いて、ＰＤＧを得ると、ΔＧ×３（ｄＢ）となり、上記のＰＤＧ（ｄＢ）＝ΔＧ（ｄＢ／ｄＢｍ）×３（ｄＢｍ）と同一となる。利得の非線形性が大きいＳＯＡ−ＣＯＳ１４０においては、上記のような、利得が最大の場合と最小の場合の差がＰＤＧとなる。したがって、偏波ダイバーシティにおけるＰＤＧは、上記のように近似される。すなわち、ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０に入力される光の強度の範囲内において、単位強度当たりの利得の変化の絶対値が、０．１６ｄＢ／ｄＢｍ以下であれば、ＰＤＧは０．５ｄＢ以下となる。
【００２２】
光増幅装置１００に対する入射光の偏波方向がランダムに変化すると、ＰＤＧによって利得が変化するので、光増幅装置１００からの出射光の強度が変化して、エラーの原因となる。ＰＤＧが０．５ｄＢ以下であれば他の実用的な光増幅器と同等となり、光通信用途に許容される水準となる。図２にＰＤＧ０.５ｄＢを有するＳＯＡ（半導体光増幅器）を入力信号の増幅用光アンプ（ブースターアンプ）に用いた際の誤り特性を示す。図２には、すでに実用的なシステムに用いられているＥＤＦＡ（エルビウム添加光ファイバ増幅器）を同様の用途として用いた時の誤り率も示している。ＳＯＡとＥＤＦＡへの入力強度は、−２ｄＢｍであり、出力は１１ｄＢｍに設定している。光アンプの後に可変減衰器を挿入することにより、光検出器の受信強度を変化させて誤り率を測定した。図２より、ＳＯＡのＰＤＧが０．５ｄＢ以下であれば、ＥＤＦＡと同様の特性が実現できていることがわかる。すなわち、ＰＤＧが０．５ｄＢ以下であれば、伝送光ファイバを介さないＢａｃｋ−ｔｏ−Ｂａｃｋの誤り率特性において、誤り率が１０−９以下となるので、データ信号を正確に送ることができる。誤り率が１０−９以下であれば、電気信号に変換後、誤り訂正符号を用いることにより、エラー信号を訂正できる。第１の実施形態に係る、ＳＯＡ−ＰＬＣハイブリッド集積型偏波ダイバーシティ回路である光増幅装置１００は、入力される光の単位強度当たりの利得の変化の絶対値が、０．１６ｄＢ／ｄＢｍ以下であるＳＯＡ−ＣＯＳ１４０を有するので、ＰＤＧが０．５ｄＢ以下となり、他の実用的な光増幅器を用いたときと同等の特性が得られる。
【００２３】
ここで、ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０の導波路の一方の端部から一方のＳＯＡ１５４までの導波路の光路長と、ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０の導波路の他方の端部から他方のＳＯＡ１５４までの導波路の光路長とは、等しい。すなわち、半波長板１３２が設けられている側の半導体光導波路１５０の長さと、半波長板１３２が設けられていない側の半導体光導波路１５０の長さとが等しい。ここで、導波路の長さとは、導波路の光路方向の長さをいう。これにより、半波長板１３２が設けられている側の半導体光導波路１５０からＳＯＡ１５４に入力される光の強度と、半波長板１３２が設けられていない側の半導体光導波路１５０からＳＯＡ１５４に入力される光の強度との差が小さくなる。ここで、ＳＯＡ１５４における利得は、入力される光の強度によって異なることがある。光増幅装置１００においては、２つのＳＯＡ１５４に双方向から入力される光の強度の差が小さいので、双方向からＳＯＡ１５４に入力される光の利得の差が小さくなる。したがって、利得の変動を抑えて、信号のエラーを少なくすることができる。
【００２４】
さらに、半波長板１３２が設けられている側の石英系光導波路１４４、傾斜導波路１４６及び半導体光導波路１５０の長さの和と、半波長板１３２が設けられていない側の石英系光導波路１４５、傾斜導波路１４６及び半導体光導波路１５０の長さの和が等しくてもよい。これにより、石英系光導波路１４４に入力されて、石英系光導波路１４４側のＳＯＡ１５４に入力されるＴＥ偏光の光と、石英系光導波路１４５に入力されて、石英系光導波路１４５側のＳＯＡ１５４に入力されるＴＥ偏光の光との、強度の差がさらに小さくなる。したがって、双方向からＳＯＡ１５４に入力される光の利得の差がさらに小さくなり、利得の変動を抑えて、信号のエラーを少なくすることができる。
【００２５】
図３は、第１の実施形態に係る光増幅装置１００の傾斜導波路１４６の模式的な拡大図である。図３には、石英系光導波路１４４の傾斜導波路１４６側の一部、及び、半導体光導波路１５０の傾斜導波路１４６側の一部も示した。
【００２６】
傾斜導波路１４６の中心軸２０４は、ＳＯＡチップ１４８とＰＬＣ−ＰＢＳチップ１１０との接合面２０８に垂直な直線に対して、所定の角度（θ１）を有する。石英系光導波路１４４の中心軸２０２は、接合面２０８に垂直な直線に平行に形成され、傾斜導波路１４６の中心軸２０４は、石英系光導波路１４４の中心軸２０２に対して所定の角度（θ１）を有する。これにより、石英系光導波路１４４に入力された光は、接合面２０８に斜めに入射する。
【００２７】
半導体光導波路１５０は、幅広部２１８、ＳＳＣ２１６（スポットサイズ変換器）、曲げ部２１４、及び、幅狭部２１２を有する。半導体光導波路１５０の幅広部２１８及びＳＳＣ２１６における中心軸２０６は、接合面２０８に垂直な直線に対して、所定の角度（θ２）を有する。
【００２８】
傾斜導波路１４６における屈折率をｎ１とし、半導体光導波路１５０における屈折率をｎ２とすると、スネルの法則より、ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２という関係を満たすように、θ１、θ２が決定される。接合面２０８上には反射防止コート２１０がコーティングされる。θ１は５°〜９°が好ましく、θ２は１２°〜１７°が好ましい。
【００２９】
半導体光導波路１５０は、幅狭部２１２における幅を保ったまま、曲げ部２１４において曲げられる。半導体光導波路１５０の図示されていない部分は、幅狭部２１２における半導体光導波路１５０と同じ幅を有する。ここで、導波路の幅とは、光路方向に垂直で、導波路が形成されている基板の表面に平行な面内の幅をいう。
【００３０】
ＳＳＣ２１６は、テーパー状の形状を有する光導波路（幅広フレアー型ＳＳＣ）である。これにより、石英系光導波路１４４のモードフィールドと、半導体光導波路１５０のモードフィールドとをマッチさせる。半導体光導波路１５０は、ＳＳＣ２１６で幅が広がり、幅広部２１８においては、傾斜導波路１４６と同じ幅を有する。
【００３１】
第１の実施形態に係る光増幅装置１００では、ＳＳＣ２１６は、ＳＯＡチップ１４８に形成されているが、ＰＬＣ−ＰＢＳチップ１１０に形成されてもよい。ＳＳＣ２１６によって、導波路の結合部における結合ロスを低減し、高い結合効率を得ることができる。
【００３２】
以上、石英系光導波路１４４に結合された傾斜導波路１４６及び半導体光導波路１５０の説明を行ったが、石英系光導波路１４５に結合された傾斜導波路１４６及び半導体光導波路１５０も同様である。
【００３３】
図４は、第１の実施形態に係る光増幅装置１００の石英系光導波路１４４及び石英系光導波路１４５の模式的な断面図である。すなわち、図１のＩＶ−ＩＶにおける模式的な断面図である。ＰＬＣプラットフォーム３０２上に、下部クラッド層３０４が形成される。下部クラッド層３０４上の一部にコア層３０６が形成される。コア層３０６は、石英系の材料で形成されて、石英系光導波路１４４及び石英系光導波路１４５となる。
【００３４】
コア層３０６上、及び、下部クラッド層３０４上のコア層３０６が形成されていない領域上に上部クラッド層３０８が形成される。すなわち、石英系光導波路１４５及び傾斜導波路１４６は、埋込メサ構造を有する。下部クラッド層３０４及び上部クラッド層３０８は、コア層３０６より屈折率の低い石英系の材料で形成される。下部クラッド層３０４及び上部クラッド層３０８は、同じ材料で形成されてもよい。傾斜導波路１４６は、石英系光導波路１４４及び石英系光導波路１４５と、同様の断面構造を有してよい。
【００３５】
図５は、第１の実施形態に係る光増幅装置１００のＵターン導波路１５２の模式的な断面図である。すなわち、図１のＶ−Ｖにおける模式的な断面図である。シリコンベンチ１４２上に半導体基板３１０が設けられる。半導体基板３１０は、化合物半導体で形成される。半導体基板３１０上の一部に下部クラッド層３１２が形成される。下部クラッド層３１２上にコア層３１４が形成される。コア層３１４上に上部クラッド層３１６が形成される。コア層３１４は化合物半導体で形成される。下部クラッド層３１２及び上部クラッド層３１６は、コア層３１４より屈折率が小さい化合物半導体で形成される。すなわち、Ｕターン導波路１５２はハイメサ構造を有する。一例として、半導体基板３１０がＩｎＰで形成され、コア層３１４がＩｎＧａＡｓＰで形成され、下部クラッド層３１２及び上部クラッド層３１６がＩｎＰで形成される。
【００３６】
光導波路に設ける折り返し部の曲率半径は、コアとクラッドの比屈折率の差が大きいほど小さくすることができる。そして、Ｕターン導波路１５２は、ハイメサ構造を有するので、コア層３１４と、その両側の空気との比屈折率の差が、例えば３０〜４０％以上と大きくなる。そこで、Ｕターン導波路１５２を上面から見たときの曲率半径を、例えば、１２５μｍと小さくできる。すなわち、石英系ＰＬＣチップ上でＵターン型の光導波路の折り返し構造を形成する場合に比べて、ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０においてハイメサ構造を有するＵターン導波路１５２による折り返し構造を形成する方がＳＯＡ−ＣＯＳ１４０のサイズを小さくすることができる。したがって、光増幅装置１００のサイズを小さくすることができる。
【００３７】
図６は、第１の実施形態の係る光増幅装置１００が有する、第１の実施形態に係るＳＯＡ１５４の、導波路方向に垂直な方向の模式的な断面図である。ＳＯＡ１５４は、シリコンベンチ１４２上に搭載された半導体基板３１０に形成される。ＳＯＡ１５４は、半導体基板３１０、下部クラッド層３１２、活性層３１８、埋込層３２０、電流阻止層３２２、上部クラッド層３１６、コンタクト層３２４、保護層３２８、ｐ側電極３２６及びｎ側電極３３２を備える。
【００３８】
半導体基板３１０の裏面にｎ側電極３３２が形成され、シリコンベンチ１４２上にｎ側電極３３２が接する。半導体基板３１０は、化合物半導体で形成される。半導体基板３１０上に下部クラッド層３１２が形成される。下部クラッド層３１２上の一部に活性層３１８が形成される。活性層３１８は、ウェル層とバリア層とを交互に積層した、多重量子井戸構造を有する。例えば、活性層３１８は、５層のウェル層を有し、ウェル層の厚さが３．９ｎｍであり、バリア厚の厚さが１０ｎｍの多重量子井戸構造である。一例として、活性層３１８は、ＧａＩｎＡｓＰで形成される。
【００３９】
下部クラッド層３１２上に、活性層３１８が形成されていない領域では、下部クラッド層３１２が厚さ方向に一部除去される。すなわち、下部クラッド層３１２は、活性層３１８の下の領域で、活性層３１８が形成されていない領域より、厚い。活性層３１８が形成されていない領域で、下部クラッド層３１２上に埋込層３２０が形成される。埋込層３２０上に電流阻止層３２２が形成される。例えば、埋込層３２０はｐ−ＩｎＰで形成される。電流阻止層３２２は、例えば、ｎ−ＩｎＰで形成される。活性層３１８及び電流阻止層３２２上に上部クラッド層３１６が形成される。電流阻止層３２２の上面は、活性層３１８の上面より上側に突出する。すなわち、活性層３１８上の上部クラッド層３１６は、電流阻止層３２２上の活性層３１８より厚い。
【００４０】
上部クラッド層３１６上であって、活性層３１８の上方にコンタクト層３２４が形成される。コンタクト層３２４上及び上部クラッド層３１６上に保護層３２８が形成される。コンタクト層３２４上の一部で保護層３２８が除去されて、ｐ側電極３２６が形成される。ｐ側電極３２６は、保護層３２８の開口部から、保護層３２８上まで形成される。すなわち、ｐ側電極３２６の幅は、活性層３１８の幅より広くてよい。ここで幅とは、活性層３１８における光路の方向、及び、活性層３１８の厚さ方向に垂直な方向の長さをいう。ｐ側電極３２６及びｎ側電極３３２から注入されたホールおよび電子のキャリアによって反転分布が形成され、活性層３１８において、光が増幅される。
【００４１】
図７は、第１の実施形態に係るＳＯＡ１５４における閉じ込め係数（Γ）と利得の非線形性の関係を示す図である。閉じ込め係数（Γ）は、活性層３１８に閉じ込められた光の、ＳＯＡ１５４における光に対する比をいう。図７に示した結果は、ＳＯＡ１５４のメサ幅が２μｍであり、ＳＯＡ長が１０００μｍであり、ｐ側電極３２６及びｎ側電極３３２から注入される電流が２００ｍＡであるときの結果である。ここで、メサ幅とは、光路長方向、及び、注入される電流の方向に垂直な方向の活性層３１８の幅をいう。また、ＳＯＡ長とは、ＳＯＡ１５４において、活性層３１８、ｐ側電極３２６、及び、ｎ側電極３３２の、いずれもが形成されている領域の、光路長方向に平行な方向の長さをいう。すなわち、ＳＯＡ１５４において、ＳＯＡ長の範囲で、光が増幅される。
【００４２】
図７の上側のグラフは、閉じ込め係数（Γ）を１％から５％まで変化させたときの、ＳＯＡ１５４に入力される光の強度と、利得の関係を示す。横軸は、ＳＯＡ１５４に入力される光の強度（ｄＢｍ）であり、縦軸は利得（ｄＢ）である。入力される光の強度が０ｄＢより小さい領域では、利得の入力される光の強度に対する依存性が小さく、入力される光の強度が−１０ｄＢ以下では、入力される光の強度に利得が依存しない。入力される光の強度が大きくなるにつれて、利得が入力される光の強度に依存する。また、入力される光の強度が大きくなると利得が小さくなる。
【００４３】
図７の下側のグラフは、入力される光の強度が０ｄＢのときの、閉じ込め係数（Γ）と利得の非線形性の関係を示す。０ｄＢは、長距離光通信におけるブースタアンプ、およびプリアンプに入力する最大パワーである。横軸は、閉じ込め係数（Γ）であり、縦軸は利得の非線形性（ｄＢ／ｄＢｍ）である。ここで利得の非線形性とは、入力される光の単位強度当たりの利得の変化量をいう。すなわち、利得の非線形性は、横軸に入力される光の強度、縦軸に利得をとったときの、グラフの傾きの値である。閉じ込め係数が小さいほど、利得の非線形性の絶対値が小さくなる。
【００４４】
利得の非線形性は、閉じ込め係数（Γ）に対して線形的に減少する傾向にある。閉じ込め係数１．５％以下で、ＳＯＡ１５４の利得の非線形性は０．１３ｄＢ／ｄＢｍ以下となる。また、閉じ込め係数１．６％以下で、ＳＯＡ１５４の利得の非線形性は０．１５ｄＢ／ｄＢｍ以下となる。したがって、光増幅装置１００のＰＤＧが０．５ｄＢ以下となるので、光通信で許容される値となる。
【００４５】
図８は、第１の実施形態に係るＳＯＡ１５４におけるメサ幅と利得の非線形性の関係を示す図である。図８に示した結果は、ＳＯＡ１５４のＳＯＡ長が１０００μｍであり、閉じ込め係数（Γ）が２．５％であり、ｐ側電極３２６及びｎ側電極３３２から注入される電流が２００ｍＡであるときの結果である。
【００４６】
図８の上側のグラフは、メサ幅を２μｍから８μｍまで変化させたときの、ＳＯＡ１５４に入力される光の強度と、利得の関係を示す。横軸は、ＳＯＡ１５４に入力される光の強度（ｄＢｍ）であり、縦軸は利得（ｄＢ）である。結果の傾向は、図７の上側のグラフと同様である。図８の下側のグラフは、入力される光の強度が０ｄＢのときの、メサ幅と利得の非線形性の関係を示す。横軸は、メサ幅であり、縦軸は利得の非線形性（ｄＢ／ｄＢｍ）である。メサ幅が広くなると、利得の非線形性が低減される。ただし、メサ幅が２．５μｍより大きくなると、マルチモードとなる。したがって、長距離の光通信用アンプとしては、ＳＯＡ１５４のメサ幅が２．５μｍ以下であることが好ましい。
【００４７】
図９は、第１の実施形態に係るＳＯＡ１５４の長さと利得の非線形性の関係を示す図である。すなわち、ＳＯＡ１５４のＳＯＡ長を変化させたときの、ＳＯＡ１５４に入力される光の強度を変化させたときの利得及び利得の非線形性を示した。図９に示した結果は、ＳＯＡ１５４の閉じ込め係数（Γ）が２．５％であり、メサ幅が２μｍであり、ｐ側電極３２６及びｎ側電極３３２から注入される電流が２００ｍＡであるときの結果である。
【００４８】
図９の上側のグラフは、ＳＯＡ長を５００μｍから１０００μｍまで変化させたときの、ＳＯＡ１５４に入力される光の強度と、利得の関係を示す。横軸は、ＳＯＡ１５４に入力される光の強度（ｄＢｍ）であり、縦軸は利得（ｄＢ）である。結果の傾向は、図７及び図８の上側のグラフと同様である。図９の下側のグラフは、入力される光の強度が０ｄＢのときの、ＳＯＡ長と利得の非線形性の関係を示す。横軸は、ＳＯＡ長であり、縦軸は利得の非線形性（ｄＢ／ｄＢｍ）である。ＳＯＡ長が長くなると、利得の非線形性が大きくなる。
【００４９】
利得の非線形性は、ＳＯＡ長に対して減少する傾向にある。ＳＯＡ長が５５０μｍ以下で、ＳＯＡ１５４の利得の非線形性は０．１３ｄＢ／ｄＢｍ以下となる。また、ＳＯＡ長が６００μｍ以下で、ＳＯＡ１５４の利得の非線形性は０．１６ｄＢ／ｄＢｍ以下となる。したがって、光増幅装置１００のＰＤＧが０．５ｄＢ以下となるので、光通信で許容される値となる。
【００５０】
以上の結果から、ＳＯＡ１５４の光閉じ込め係数をΓとし、ＳＯＡ長をＬとすると、Γ×Ｌ＜１５００％μｍであることが好ましい。これにより、ＳＯＡ１５４の利得の非線形性は０．１６ｄＢ／ｄＢｍ以下となり、光増幅装置１００のＰＤＧが０．５ｄＢ以下となるので、光通信で許容される値となる。
【００５１】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係るＳＯＡ１５４の模式的な断面図である。光増幅装置１００のＳＯＡ１５４は、図６に示した第１の実施形態に係るＳＯＡ１５４に限定されず、図１０に断面図を示した第２の実施形態に係るＳＯＡ１５４を用いてもよい。図１０において、図６と同一の符号を付した要素は、図６において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。第２の実施形態に係るＳＯＡ１５４は、下部クラッド層３１２、活性層３１８、上部クラッド層３１６、埋込層３２０、及び、電流阻止層３２２の形状、並びに、反射膜３３０を有すること以外は、第１の実施形態に係るＳＯＡ１５４と、同様である。
【００５２】
ＳＯＡ１５４は、シリコンベンチ１４２上に搭載された半導体基板３１０に形成される。ＳＯＡ１５４は、半導体基板３１０、下部クラッド層３１２、活性層３１８、埋込層３２０、電流阻止層３２２、上部クラッド層３１６、コンタクト層３２４、保護層３２８、反射膜３３０、ｐ側電極３２６及びｎ側電極３３２を備える。
【００５３】
下部クラッド層３１２の上側の一部、活性層３１８、及び、上部クラッド層３１６の下側の一部は、テーパー形状を有する。また、活性層３１８が形成されていない領域の下部クラッド層３１２の上面、活性層３１８の側面、及び、活性層３１８上であって電流阻止層３２２に挟まれた領域に形成された上部クラッド層３１６の側面は、下に凸の曲面を有する。
【００５４】
埋込層３２０は、活性層３１８が形成されていない領域の下部クラッド層３１２の上面、活性層３１８の側面、及び、活性層３１８上であって電流阻止層３２２に挟まれた領域に形成された上部クラッド層３１６の側面に接して形成される。また、電流阻止層３２２の厚さは、ＳＯＡ１５４の光路の中心に近いほど薄い。電流阻止層３２２は埋込層３２０上に形成されるしたがって、埋込層３２０と電流阻止層３２２との界面は、下に凸の曲面を有する。電流阻止層３２２の上面は、半導体基板３１０の上面に平行である。
【００５５】
下部クラッド層３１２、埋込層３２０、電流阻止層３２２、上部クラッド層３１６、及び保護層３２８の両端には、光を反射する反射膜３３０が形成される。ｐ側電極３２６及びｎ側電極３３２からキャリアが注入されて、活性層３１８から放出された光が、反射膜３３０で反射される。これにより、ＳＯＡ１５４の光路の方向と垂直な方向で、半導体基板３１０の表面に平行な方向に共振する。したがって、ＳＯＡ１５４における利得は一定となる。すなわち、ＳＯＡ１５４において、利得クランプされる。ＳＯＡ１５４における利得が、ＳＯＡ１５４に入力される光の強度に依存せず一定となるので、利得の非線形性が小さくなる。これによって、光増幅装置１００のＰＤＧが小さくなる。
【００５６】
図１１は、本発明の第３の実施形態に係るＳＯＡ１５４の模式的な上視図である。ＳＯＡ１５４は、光導波路３５２、利得クランプ導波路３５４、回折格子３５６、及び、反射防止膜３５０を有する。利得クランプ導波路３５４の両側に、回折格子３５６が形成される。ここで、利得クランプ導波路３５４の両側とは、光路と垂直で、シリコンベンチ１４２の表面と平行な方向における両側をいう。利得クランプ導波路３５４の光路方向の両端には、光導波路３５２が結合される。光導波路３５２の、利得クランプ導波路３５４とは反対側の端部には反射防止膜３５０が形成される。すなわち、ＳＯＡ１５４の光路方向の両端に反射防止膜３５０が形成される。反射防止膜３５０により、ＳＯＡ１５４の両端における光の反射が抑えられる。ＳＯＡ１５４のＶＩ−ＶＩにおける断面は、図６と同じ構造を有する。
【００５７】
利得クランプ導波路３５４で発した光は、回折格子３５６で反射される。これにより、ＳＯＡ１５４の光路の方向と垂直な方向で、シリコンベンチ１４２の表面に平行な方向に共振する。したがって、ＳＯＡ１５４における利得は一定となる。すなわち、ＳＯＡ１５４において、利得クランプされる。ＳＯＡ１５４における利得が、ＳＯＡ１５４に入力される光の強度に依存せず一定となるので、利得の非線形性が小さくなる。これによって、光増幅装置１００のＰＤＧが小さくなる。
【００５８】
図１２は、第３の実施形態に係るＳＯＡ１５４の利得クランプ導波路３５４における模式的な断面図である。すなわち、図１２は、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩにおける模式的な断面図である。図１２において、図６と同一の符号を付した要素は、図６において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。ＳＯＡ１５４は、シリコンベンチ１４２上に搭載された半導体基板３１０に形成される。ＳＯＡ１５４は、利得クランプ導波路３５４における断面において、半導体基板３１０、下部クラッド層３１２、活性層３１８、上部クラッド層３１６、埋込層３２０、電流阻止層３２２、コンタクト層３２４、ｐ側電極３２６、保護層３２８、及び、ｎ側電極３３２を有する。
【００５９】
半導体基板３１０上に下部クラッド層３１２が形成される。下部クラッド層３１２上に活性層３１８が形成される。活性層３１８の、光路となる中央の領域を挟んだ両側の一部で、活性層３１８が除去される。活性層３１８が除去された領域で下部クラッド層３１２が厚さ方向に一部除去される。すなわち、活性層３１８が除去された領域の下側は、他の領域に比べて、下部クラッド層３１２が薄い。活性層３１８が除去された領域に、埋込層３２０が形成される。埋込層３２０上に電流阻止層３２２が形成される。
【００６０】
埋込層３２０及び電流阻止層３２２で挟まれた領域が利得クランプ導波路３５４となる。活性層３１８の光路となる中央の領域に対して、埋込層３２０及び電流阻止層３２２を挟んだ反対側の領域で、活性層３１８に、複数のＩｎＰ埋込層３６０がＩｎＰで形成される。ＩｎＰ埋込層３６０は、活性層３１８の上面から深さ方向に、所定の深さまで形成される。また、ＩｎＰ埋込層３６０は、光路の方向に沿って、所定の間隔で形成される。複数のＩｎＰ埋込層３６０が形成された活性層３１８は回折格子３５６として働き、光を光路と垂直方向に反射する。ただし、回折格子３５６は、複素屈折率が周期的に摂動する構成であればよく、ＩｎＰ埋込層３６０が形成された活性層３１８に限られない。
【００６１】
活性層３１８の上面より電流阻止層３２２の上面が上方に突出している。活性層３１８及び電流阻止層３２２上に、上部クラッド層３１６が形成される。上部クラッド層３１６上にコンタクト層３２４が形成される。電流阻止層３２２の上方でコンタクト層３２４が除去されて、保護層３２８が形成される。コンタクト層３２４上に、ｐ側電極３２６が形成される。ｐ側電極３２６及びｎ側電極３３２からキャリアが注入されて活性層３１８で発した光は、複数のＩｎＰ埋込層３６０を有する回折格子３５６で反射されて共振するので、利得クランプ導波路３５４で利得クランプされる。
【００６２】
図１３は、本発明の第４の実施形態に係るＳＯＡ１５４の光導波路３５２における模式的な断面図である。第４の実施形態に係るＳＯＡ１５４の上面図は、第３の実施形態に係るＳＯＡ１５４の上面図である図１１と同じである。図１３は、図１１のＶＩ−ＶＩにおける、第４の実施形態に係るＳＯＡ１５４の模式的な断面図である。図１３において、図６と同一の符号を付した要素は、図６において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。
【００６３】
シリコンベンチ１４２に搭載された半導体基板３１０にＳＯＡ１５４が形成される。ＳＯＡ１５４は、光導波路３５２において、半導体基板３１０、下部クラッド層３１２、活性層３１８、上部クラッド層３１６、コンタクト層３２４、ｐ側電極３２６、保護層３２８、及び、ｎ側電極３３２を有する。第４の実施形態に係るＳＯＡ１５４の光導波路３５２における断面は、埋込層３２０及び電流阻止層３２２を有さず、上部クラッド層３１６及び保護層３２８の形状が異なる点で、図６に示した断面と異なる。
【００６４】
上部クラッド層３１６は、光路に沿った中央部分の両側で、厚さ方向に一部が除去される。上部クラッド層３１６が厚さ方向に一部除去された領域では、他の領域より上部クラッド層３１６が薄い。そして、上部クラッド層３１６が除去された領域で、上部クラッド層３１６上に保護層３２８が形成される。保護層３２８で挟まれた領域で、他の領域より厚い上部クラッド層３１６上にコンタクト層３２４が形成される。コンタクト層３２４上にｐ側電極３２６が形成される。保護層３２８の上面は、コンタクト層３２４の上面より上方に突出している。ｐ側電極３２６の幅は、コンタクト層３２４の幅より広い。
【００６５】
図１４は、第４の実施形態に係るＳＯＡ１５４の利得クランプ導波路３５４における模式的な断面図である。すなわち、図１４は、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩにおける、第４の実施形態に係るＳＯＡ１５４の模式的な断面図である。図１４において、図１２と同一の符号を付した要素は、図６において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。シリコンベンチ１４２に搭載された半導体基板３１０にＳＯＡ１５４が形成される。ＳＯＡ１５４は、利得クランプ導波路３５４において、半導体基板３１０、下部クラッド層３１２、活性層３１８、ＩｎＰ埋込層３６０、上部クラッド層３１６、コンタクト層３２４、ｐ側電極３２６、保護層３２８、及び、ｎ側電極３３２を有する。第４の実施形態に係るＳＯＡ１５４の利得クランプ導波路３５４における断面は、埋込層３２０及び電流阻止層３２２を有さず、上部クラッド層３１６及び保護層３２８の形状が異なる点で、図１２に示した断面と異なる。
【００６６】
上部クラッド層３１６は、光路に沿った中央部分の両側の一部で、他の領域より薄い。そして、上部クラッド層３１６が他の領域より薄い領域で、上部クラッド層３１６上に保護層３２８が形成される。他の領域より上部クラッド層３１６が厚い領域で、上部クラッド層３１６上にコンタクト層３２４が形成される。コンタクト層３２４上にｐ側電極３２６が形成される。保護層３２８の上面は、コンタクト層３２４の上面より上方に突出している。ｐ側電極３２６の幅は、コンタクト層３２４の幅より広い。ｐ側電極３２６及びｎ側電極３３２から注入されるキャリアは、保護層３２８によって、活性層３１８の中央部分に集中する。キャリアが注入されて活性層３１８で発した光は、複数のＩｎＰ埋込層３６０を有する回折格子３５６で反射されて共振するので、利得クランプ導波路３５４で利得クランプされる。ＳＯＡ１５４における利得が、ＳＯＡ１５４に入力される光の強度に依存せず一定となるので、利得の非線形性が小さくなる。これによって、光増幅装置１００のＰＤＧが小さくなる。
【００６７】
図１５は、本発明の第５の実施形態に係るＳＯＡ１５４の模式的な上視図である。ＳＯＡ１５４は、ｐ側電極３２６、活性層３１８、及び、ブラッグクレーティング３６２を有する。図１５において、図６及び図１１と同一の符号を付した要素は、図６及び図１１において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。第５の実施形態に係るＳＯＡ１５４は、ｐ側電極３２６が形成されている領域で、図６に示した断面と同じ構造を有する。活性層３１８の光路に沿った両端には、ブラッグクレーティング３６２が形成される。ブラッグクレーティング３６２は、ＳＯＡ１５４の光路に沿った両端に形成されて、ＳＯＡ１５４の光路に沿った方向に副屈折率の周期的な摂動を与える。これにより、ｐ側電極３２６、及び、図１５には現れないｎ側電極からキャリアが注入されて、活性層３１８で発した光は、ブラッグクレーティング３６２で反射されて共振するので、ＳＯＡ１５４で利得クランプされる。ＳＯＡ１５４における利得が、ＳＯＡ１５４に入力される光の強度に依存せず一定となるので、利得の非線形性が小さくなる。これによって、光増幅装置１００のＰＤＧが小さくなる。
【００６８】
図１６は、本発明の第６の実施形態に係るＳＯＡ１５４の模式的な上視図である。ＳＯＡ１５４は、導波路３７２、カプラ３７４、アーム３７６、カプラ３７８、アーム３８０、増幅部３８２、増幅部３８４、導波路３８６、制御光用光源３８８、導波路３９０、導波路３９２を有する。アーム３７６に、光を増幅する増幅部３８２が形成される。アーム３８０に、光を増幅する増幅部３８４が形成される。増幅部３８２及び増幅部３８４はＳＯＡである。アーム３７６及びアーム３８０は互いに平行に形成され、それぞれの両端にカプラ３７４及びカプラ３７８が形成される。アーム３７６に対して、カプラ３７４を挟んで反対側には、導波路３７２が形成される。アーム３７６に対して、カプラ３７８と反対側には、導波路３９０が形成される。導波路３９０のカプラ３７８と反対側の端部には、制御光用光源３８８が形成される。制御光用光源３８８は例えばＤＦＢレーザである。アーム３８０に対して、カプラ３７４を挟んで反対側には、導波路３９２が形成される。アーム３８０とカプラ３７８を挟んで反対側には、導波路３８６が形成される。
【００６９】
制御光用光源３８８から導波路３９０及びカプラ３７８を介して増幅部３８２及び増幅部３８４に入力される光量が、制御光用光源３８８を制御することで制御される。これにより、増幅部３８２及び増幅部３８４における利得を制御できる。ＳＯＡ１５４に入力される光の強度に応じて、制御光用光源３８８を制御して、ＳＯＡ１５４における利得の非線形性を小さくして、光増幅装置１００のＰＤＧを小さくすることができる。
【００７０】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００７１】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００７２】
１００ 光増幅装置、１０２ サーキュレータ、１１０ ＰＬＣ−ＰＢＳチップ、１１２ 入力ポート、１１４ 出力ポート、１１６ カプラ、１１８ ＴＭ出力ポート、１２０ ＴＥ出力ポート、１２２ ヒーター、１２４ ＭＺＩ、１２６ 石英系光導波路、１２７ 石英系光導波路、１３０ スリット、１３２ 半波長板、１４０ ＳＯＡ−ＣＯＳ、１４２ シリコンベンチ、１４４ 石英系光導波路、１４５ 石英系光導波路、１４６ 傾斜導波路、１４８ ＳＯＡチップ、１５０ 半導体光導波路、１５２ Ｕターン導波路、１５４ ＳＯＡ、２０２ 中心軸、２０４ 中心軸、２０６ 中心軸、２０８ 接合面、２１０ 反射防止コート、２１２ 幅狭部、２１４ 曲げ部、２１６ ＳＳＣ、２１８ 幅広部、３０２ ＰＬＣプラットフォーム、３０４ 下部クラッド層、３０６ コア層、３０８ 上部クラッド層、３１０ 半導体基板、３１２ 下部クラッド層、３１４ コア層、３１６ 上部クラッド層、３１８ 活性層、３２０ 埋込層、３２２ 電流阻止層、３２４ コンタクト層、３２６ ｐ側電極、３２８ 保護層、３３０ 反射膜、３３２ ｎ側電極、３５０ 反射防止膜、３５２ 光導波路、３５４ 利得クランプ導波路、３５６ 回折格子、３６０ ＩｎＰ埋込層、３６２ ブラッグクレーティング、３７２ 導波路、３７４ カプラ、３７６ アーム、３７８ カプラ、３８０ アーム、３８２ 増幅部、３８４ 増幅部、３８６ 導波路、３８８ 制御光用光源、３９０ 導波路、３９２ 導波路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光増幅装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
入力光をＴＥ偏光とＴＭ偏光とに分岐して、ＴＥ偏光をＴＥ偏光のまま、そして、ＴＭ偏光をＴＥ偏光に変換してから、ＳＯＡ（半導体光増幅器 Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）に入力する偏波ダイバーシティ回路を用いる光増幅装置が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
非特許文献１ K. Morito and S. Tanaka, "Record High Saturation Power (+22 dBm) and Low Noise Figure (5.7dB) Polarization-Insensitive SOA Module", IEEE PH OTONICS TECHNOLOGY LETTERS, 17, 6, 1298-1300, (2005)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＳＯＡにおける光の利得は、ＴＥ偏光とＴＭ偏光とで異なる。偏波ダイバーシティ回路を用いる光増幅装置においては、ＴＭ偏光はＴＥ偏光に変換されてからＳＯＡに入力される。これにより、偏光方向に起因する光利得の差を小さくすることができる。しかしＳＯＡにおける利得は、ＳＯＡに入力される光の強度にも依存することがある。そのため、偏波ダイバーシティ回路において、ＴＭ偏光からＴＥ偏光に変換されてＳＯＡに入力される光の強度と、分岐されてからＴＥ偏光のままでＳＯＡに入力される光の強度とに差があると、両者の利得に差が生じる。
【０００４】
偏光方向によって異なる利得は、ＰＤＧ（偏波依存利得 Polarization Dependent Gain）と呼ばれる。光増幅装置に入力される信号光の偏波方向がランダムに変化すると、ＰＤＧに起因して、光増幅装置から出力される光の強度が変動するので、信号のエラーの原因となる。したがって、信号のエラーを低減するために、ＰＤＧを小さくすることが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様においては、入射光の入力及び出射光の出力を行う入出力部と、入出力部から入力された入射光の偏光成分を分岐して、第１の偏光を有する第１偏光モード光、及び、第１の偏光と異なる第２の偏光を有する第２偏光モード光を出力する偏光分離部と、第１偏光モード光が入力され、第１の偏光を第２の偏光に変換して、第１偏光変換光を出力する偏光変換部と、導波路の一方の端部に入力された第１偏光変換光が増幅されて他方の端部から出力され、他方の端部に入力された第２偏光モード光が増幅されて一方の端部から出力される、光増幅部と、を備え、光増幅部に入力される光の、単位強度当たりの利得の変化の絶対値が、０．１６ｄＢ／ｄＢｍ以下である光増幅装置を提供する。
【０００６】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光増幅装置の模式的な上視図である。
【図２】ＳＯＡおよびＥＤＦＡをブースターアンプに用いた時の誤り率特性である。
【図３】第１の実施形態に係る光増幅装置の傾斜導波路の模式的な拡大図である。
【図４】第１の実施形態に係る光増幅装置の石英系光導波路の模式的な断面図である。
【図５】第１の実施形態に係る光増幅装置のＵターン導波路の模式的な断面図である。
【図６】第１の実施形態の係る光増幅装置が有する、第１の実施形態に係るＳＯＡの模式的な断面図である。
【図７】第１の実施形態に係るＳＯＡにおける閉じ込め係数と利得の非線形性の関係を示す図である。
【図８】第１の実施形態に係るＳＯＡにおけるメサ幅と利得の非線形性の関係を示す図である。
【図９】第１の実施形態に係るＳＯＡの長さと利得の非線形性の関係を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係るＳＯＡの模式的な断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係るＳＯＡの模式的な上視図である。
【図１２】第３の実施形態に係るＳＯＡの利得クランプ導波路における模式的な断面図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態に係るＳＯＡの光導波路における模式的な断面図である。
【図１４】第４の実施形態に係るＳＯＡの利得クランプ導波路における模式的な断面図である。
【図１５】本発明の第５の実施形態に係るＳＯＡの模式的な上視図である。
【図１６】本発明の第６の実施形態に係るＳＯＡの模式的な上視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００９】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光増幅装置１００の模式的な上視図である。光増幅装置１００は、サーキュレータ１０２、ＰＬＣ−ＰＢＳチップ１１０（石英系平面光波回路−偏波ビームスプリッタチップ）及びＳＯＡ−ＣＯＳ１４０（半導体光増幅器−チップ・オン・サブマウント）を備える。ＰＬＣ−ＰＢＳチップ１１０が有する導波路と、ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０が有する導波路とは、互いに結合されている。光増幅装置１００は、ＳＯＡ−ＰＬＣハイブリッド集積型偏波ダイバーシティ回路である。
【００１０】
サーキュレータ１０２は、入射光の入力及び出射光の出力を行う。光増幅装置１００に入力ＩＮから入力された入射光は、サーキュレータ１０２によって、入力ポート１１２に伝播される。入射光は非偏光の光である。また、出力ポート１１４からサーキュレータ１０２に伝播された出射光は、サーキュレータ１０２によって、出力ＯＵＴから出力される。
【００１１】
ＰＬＣ−ＰＢＳチップ１１０は、ＭＺＩ１２４（マッハツェンダー干渉計回路）、石英系光導波路１２６、石英系光導波路１２７、スリット１３０、半波長板１３２、石英系光導波路１４４、石英系光導波路１４５、及び、傾斜導波路１４６を有する。ＭＺＩ１２４は、入力ポート１１２、出力ポート１１４、カプラ１１６、一対のヒーター１２２、ＴＭ出力ポート１１８、及び、ＴＥ出力ポート１２０を有する。
【００１２】
一対のヒーター１２２は、ＭＺＩ１２４の２本のアームのそれぞれに配置され、カプラ１１６を介して、入力ポート１１２及び出力ポート１１４に結合される。また、ヒーター１２２は、入力ポート１１２及び出力ポート１１４の反対側で、カプラ１１６を介して、ＴＭ出力ポート１１８及びＴＥ出力ポート１２０に結合される。
【００１３】
ＴＭ出力ポート１１８に結合された石英系光導波路１２６は、半波長板１３２を介して、石英系光導波路１４４に結合される。半波長板１３２は、スリット１３０に形成され、石英系光導波路１２６と石英系光導波路１４４との間に設けられる。半波長板１３２によって、ＴＭ偏光がＴＥ偏光に変換される。石英系光導波路１４４は、傾斜導波路１４６に結合される。ＴＥ出力ポート１２０に結合された石英系光導波路１２７は、スリット１３０を介して、石英系光導波路１４５に結合される。石英系光導波路１４５は、傾斜導波路１４６に結合される。石英系光導波路１４４、石英系光導波路１４５及び傾斜導波路１４６は、埋込メサ構造を有する。
【００１４】
ＭＺＩ１２４は、２本のアームの間にΔΦの位相差を有する。ＭＺＩ１２４において複屈折が起こり、ＴＥ偏光の光及びＴＭ偏光の光の、それぞれのΔΦは、互いに異なる。ＴＥ偏光の該位相差をΔΦＴＥ、ＴＭ偏光の該位相差をΔΦＴＭとすると、｜ΔΦＴＥ−ΔΦＴＭ｜＝（２π／λ）Ｂ・Ｌで表される。ここで、λは波長、ＢはＭＺＩ中の複屈折率、ＬはＭＺＩ１２４のアーム長である。｜ΔΦＴＥ−ΔΦＴＭ｜＝（２ｎ＋１）π（ｎ：整数）であるとき、サーキュレータ１０２からＭＺＩ１２４に入力された非偏光の入射光は、ＭＺＩ１２４において偏光成分が分岐される。これにより、ＭＺＩ１２４において、ＴＥ偏光の光と、ＴＥ偏光と直交する偏光であるＴＭ偏光の光に分割される。ＴＥ偏光の光はＴＥ出力ポート１２０へ出力され、ＴＭ偏光の光は他方のＴＭ出力ポート１１８へ出力される。ＴＭ出力ポート１１８から出力されたＴＭ偏光の光は、半波長板１３２によってＴＥ偏光の光に変換される。
【００１５】
ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０は、シリコンベンチ１４２及びＳＯＡチップ１４８を有する。ＳＯＡチップ１４８は、シリコンベンチ１４２上に実装される。シリコンベンチ１４２への実装は、例えばハンダ実装である。ＳＯＡチップ１４８は、半導体光導波路１５０、２つのＳＯＡ１５４、及び、Ｕターン導波路１５２を有する。傾斜導波路１４６は、石英系光導波路１４４と半導体光導波路１５０との間に、石英系光導波路１４４に対して傾斜して形成される。
【００１６】
半導体光導波路１５０のＳＯＡ１５４側の一部は、石英系光導波路１４４に平行に形成される。半導体光導波路１５０の傾斜導波路１４６側の一部は、半導体光導波路１５０の他の部分に対して傾斜して形成される。半導体光導波路１５０の一方の端部はＳＯＡ１５４に結合される。２つのＳＯＡ１５４の、半導体光導波路１５０に結合された端部とは反対の端部は、それぞれ、円弧形状を有するＵターン導波路１５２に結合される。すなわち、２つのＳＯＡ１５４は、半導体のＵターン導波路１５２を介して結合される。Ｕターン導波路１５２は、導波路サイドの半導体コアがエッチングされたハイメサ構造を有する。
【００１７】
Ｕターン導波路１５２が円弧形状を有するＵターン部を形成するので、半導体光導波路１５０のＳＯＡ１５４と反対側の端部は、ＳＯＡチップ１４８の同一の辺に形成される。これにより、ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０のサイズを小さくすることができる。Ｕターン導波路１５２はハイメサ構造を有するので光の閉じ込めが強く、例えばＵターン導波路１５２の曲率半径を、例えば、１２５μｍとしても、曲げによる光損失を抑制することができる。これにより、光増幅特性および雑音特性の両方を良好にすることができる。
【００１８】
石英系光導波路１２６から出力され、半波長板１３２によって変換されたＴＥ偏光の光は、ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０の導波路の、半波長板１３２側の端部に入力される。すなわち、半波長板１３２によってＴＥ偏光に変換された光は、石英系光導波路１４４及び傾斜導波路１４６を介して、半波長板１３２側の半導体光導波路１５０に入力される。半波長板１３２側の石英系光導波路１４４に入力されたＴＥ偏光の光は、２つのＳＯＡ１５４で増幅されて、ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０の導波路の、入力された端部とは反対の他方の端部から出力される。
【００１９】
半波長板１３２が設けられていない側の石英系光導波路１２７から出力されたＴＥ偏光の光は、ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０の導波路の半波長板１３２が設けられていない側の端部に入力される。すなわち、石英系光導波路１２７から出力された光は、石英系光導波路１４５に入力される。石英系光導波路１４５に入力されたＴＥ偏光の光は、２つのＳＯＡ１５４で増幅されて、ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０の導波路の、入力された端部とは反対の一方の端部から出力される。以上のようにＳＯＡ−ＣＯＳ１４０は、導波路の両端から光が入力され、光が入力された端部とは反対の両端から増幅された光が出力される双方向入力型である。
【００２０】
ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０は、ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０に入力される光の強度の範囲内において、入力される光の単位強度当たりの利得の変化の絶対値が、０．１６ｄＢ／ｄＢｍ以下である。ここで、ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０に入力される光の強度の範囲は、例えば、−３０ｄＢｍ以上０ｄＢｍ以下である。また、入力される光の単位強度当たりの利得の変化は、入力される光の強度が１ｄＢｍ上昇したときの、利得の上昇値（ｄＢ）で表される。すなわち、入力される光の単位強度当たりの利得の変化は、入力される光の強度（ｄＢｍ）を横軸にとり、利得（ｄＢ）を縦軸にとったときの、グラフの傾きが単位強度当たりの利得の変化に当たる。また、入力される光の単位強度当たりの利得の変化は、利得（ｄＢ）を入力される光の強度（ｄＢｍ）の関数で表す式の微分値に相当する。光増幅装置１００のＰＤＧは、近似的に、ＰＤＧ（ｄＢ）＝ΔＧ（ｄＢ／ｄＢｍ）×３（ｄＢｍ）と表される。ここで、ΔＧは、単位強度当たりの利得の変化の絶対値（ｄＢ／ｄＢｍ）である。
【００２１】
ここで、偏波ダイバーシティ回路において、利得が最大になるのは、ＴＭ出力ポート１１８における光の強度と、ＴＥ出力ポート１２０における光の強度が等しいときである。この時の出力光は、Ｐｏｕｔ（ｄＢｍ）＝｛Ｐｉｎ（ｄＢｍ）−３｝＋｛ΔＧ×３＋Ｇ（ｄＢ）｝＋３（ｄＢ）と表現できる。ここでＰｏｕｔおよびＰｉｎは、それぞれ、出力光および入力光について、ＴＥモードの光の強度とＴＭモードの光の強度とを足し合わせたトータルの強度である。Ｇは入力Ｐｉｎにおける利得である。上記の式の右辺第１項目である、｛Ｐｉｎ（ｄＢｍ）−３｝は、ＴＥ及びＴＭの各ポートに入力される光強度を示している。入力光は、ＴＥ及びＴＭポートに等分配されるので、｛Ｐｉｎ（ｄＢｍ）−３｝となる。上記の式の右辺第２項目である、｛ΔＧ×３＋Ｇ（ｄＢ）｝は、ＴＥ及びＴＭ各ポートで得られる利得を表している。上記の式の右辺第３項目である３ｄＢは、サーキュレータ１０２の出力ポートでＴＥポートとＴＭポートが合波されて２倍になることに対応し、上記の式は、３（ｄＢ）を足した式となっている。一方、利得が最小になるは、入射光がＴＭ出力ポート１１８及びＴＥ出力ポート１２０の一方にのみ光が出力されるときである。このときの光出力は、Ｐｏｕｔ（ｄＢｍ）＝Ｐｉｎ（ｄＢｍ）＋Ｇ（ｄＢ）と表現できる。偏波ダイバーシティ回路において、利得が最大になるときの式から、利得が最小になるときの式を差し引いて、ＰＤＧを得ると、ΔＧ×３（ｄＢ）となり、上記のＰＤＧ（ｄＢ）＝ΔＧ（ｄＢ／ｄＢｍ）×３（ｄＢｍ）と同一となる。利得の非線形性が大きいＳＯＡ−ＣＯＳ１４０においては、上記のような、利得が最大の場合と最小の場合の差がＰＤＧとなる。したがって、偏波ダイバーシティにおけるＰＤＧは、上記のように近似される。すなわち、ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０に入力される光の強度の範囲内において、単位強度当たりの利得の変化の絶対値が、０．１６ｄＢ／ｄＢｍ以下であれば、ＰＤＧは０．５ｄＢ以下となる。
【００２２】
光増幅装置１００に対する入射光の偏波方向がランダムに変化すると、ＰＤＧによって利得が変化するので、光増幅装置１００からの出射光の強度が変化して、エラーの原因となる。ＰＤＧが０．５ｄＢ以下であれば他の実用的な光増幅器と同等となり、光通信用途に許容される水準となる。図２にＰＤＧ０.５ｄＢを有するＳＯＡ（半導体光増幅器）を入力信号の増幅用光アンプ（ブースターアンプ）に用いた際の誤り特性を示す。図２には、すでに実用的なシステムに用いられているＥＤＦＡ（エルビウム添加光ファイバ増幅器）を同様の用途として用いた時の誤り率も示している。ＳＯＡとＥＤＦＡへの入力強度は、−２ｄＢｍであり、出力は１１ｄＢｍに設定している。光アンプの後に可変減衰器を挿入することにより、光検出器の受信強度を変化させて誤り率を測定した。図２より、ＳＯＡのＰＤＧが０．５ｄＢ以下であれば、ＥＤＦＡと同様の特性が実現できていることがわかる。すなわち、ＰＤＧが０．５ｄＢ以下であれば、伝送光ファイバを介さないＢａｃｋ−ｔｏ−Ｂａｃｋの誤り率特性において、誤り率が１０−９以下となるので、データ信号を正確に送ることができる。誤り率が１０−９以下であれば、電気信号に変換後、誤り訂正符号を用いることにより、エラー信号を訂正できる。第１の実施形態に係る、ＳＯＡ−ＰＬＣハイブリッド集積型偏波ダイバーシティ回路である光増幅装置１００は、入力される光の単位強度当たりの利得の変化の絶対値が、０．１６ｄＢ／ｄＢｍ以下であるＳＯＡ−ＣＯＳ１４０を有するので、ＰＤＧが０．５ｄＢ以下となり、他の実用的な光増幅器を用いたときと同等の特性が得られる。
【００２３】
ここで、ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０の導波路の一方の端部から一方のＳＯＡ１５４までの導波路の光路長と、ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０の導波路の他方の端部から他方のＳＯＡ１５４までの導波路の光路長とは、等しい。すなわち、半波長板１３２が設けられている側の半導体光導波路１５０の長さと、半波長板１３２が設けられていない側の半導体光導波路１５０の長さとが等しい。ここで、導波路の長さとは、導波路の光路方向の長さをいう。これにより、半波長板１３２が設けられている側の半導体光導波路１５０からＳＯＡ１５４に入力される光の強度と、半波長板１３２が設けられていない側の半導体光導波路１５０からＳＯＡ１５４に入力される光の強度との差が小さくなる。ここで、ＳＯＡ１５４における利得は、入力される光の強度によって異なることがある。光増幅装置１００においては、２つのＳＯＡ１５４に双方向から入力される光の強度の差が小さいので、双方向からＳＯＡ１５４に入力される光の利得の差が小さくなる。したがって、利得の変動を抑えて、信号のエラーを少なくすることができる。
【００２４】
さらに、半波長板１３２が設けられている側の石英系光導波路１４４、傾斜導波路１４６及び半導体光導波路１５０の長さの和と、半波長板１３２が設けられていない側の石英系光導波路１４５、傾斜導波路１４６及び半導体光導波路１５０の長さの和が等しくてもよい。これにより、石英系光導波路１４４に入力されて、石英系光導波路１４４側のＳＯＡ１５４に入力されるＴＥ偏光の光と、石英系光導波路１４５に入力されて、石英系光導波路１４５側のＳＯＡ１５４に入力されるＴＥ偏光の光との、強度の差がさらに小さくなる。したがって、双方向からＳＯＡ１５４に入力される光の利得の差がさらに小さくなり、利得の変動を抑えて、信号のエラーを少なくすることができる。
【００２５】
図３は、第１の実施形態に係る光増幅装置１００の傾斜導波路１４６の模式的な拡大図である。図３には、石英系光導波路１４４の傾斜導波路１４６側の一部、及び、半導体光導波路１５０の傾斜導波路１４６側の一部も示した。
【００２６】
傾斜導波路１４６の中心軸２０４は、ＳＯＡチップ１４８とＰＬＣ−ＰＢＳチップ１１０との接合面２０８に垂直な直線に対して、所定の角度（θ１）を有する。石英系光導波路１４４の中心軸２０２は、接合面２０８に垂直な直線に平行に形成され、傾斜導波路１４６の中心軸２０４は、石英系光導波路１４４の中心軸２０２に対して所定の角度（θ１）を有する。これにより、石英系光導波路１４４に入力された光は、接合面２０８に斜めに入射する。
【００２７】
半導体光導波路１５０は、幅広部２１８、ＳＳＣ２１６（スポットサイズ変換器）、曲げ部２１４、及び、幅狭部２１２を有する。半導体光導波路１５０の幅広部２１８及びＳＳＣ２１６における中心軸２０６は、接合面２０８に垂直な直線に対して、所定の角度（θ２）を有する。
【００２８】
傾斜導波路１４６における屈折率をｎ１とし、半導体光導波路１５０における屈折率をｎ２とすると、スネルの法則より、ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２という関係を満たすように、θ１、θ２が決定される。接合面２０８上には反射防止コート２１０がコーティングされる。θ１は５°〜９°が好ましく、θ２は１２°〜１７°が好ましい。
【００２９】
半導体光導波路１５０は、幅狭部２１２における幅を保ったまま、曲げ部２１４において曲げられる。半導体光導波路１５０の図示されていない部分は、幅狭部２１２における半導体光導波路１５０と同じ幅を有する。ここで、導波路の幅とは、光路方向に垂直で、導波路が形成されている基板の表面に平行な面内の幅をいう。
【００３０】
ＳＳＣ２１６は、テーパー状の形状を有する光導波路（幅広フレアー型ＳＳＣ）である。これにより、石英系光導波路１４４のモードフィールドと、半導体光導波路１５０のモードフィールドとをマッチさせる。半導体光導波路１５０は、ＳＳＣ２１６で幅が広がり、幅広部２１８においては、傾斜導波路１４６と同じ幅を有する。
【００３１】
第１の実施形態に係る光増幅装置１００では、ＳＳＣ２１６は、ＳＯＡチップ１４８に形成されているが、ＰＬＣ−ＰＢＳチップ１１０に形成されてもよい。ＳＳＣ２１６によって、導波路の結合部における結合ロスを低減し、高い結合効率を得ることができる。
【００３２】
以上、石英系光導波路１４４に結合された傾斜導波路１４６及び半導体光導波路１５０の説明を行ったが、石英系光導波路１４５に結合された傾斜導波路１４６及び半導体光導波路１５０も同様である。
【００３３】
図４は、第１の実施形態に係る光増幅装置１００の石英系光導波路１４４及び石英系光導波路１４５の模式的な断面図である。すなわち、図１のＩＶ−ＩＶにおける模式的な断面図である。ＰＬＣプラットフォーム３０２上に、下部クラッド層３０４が形成される。下部クラッド層３０４上の一部にコア層３０６が形成される。コア層３０６は、石英系の材料で形成されて、石英系光導波路１４４及び石英系光導波路１４５となる。
【００３４】
コア層３０６上、及び、下部クラッド層３０４上のコア層３０６が形成されていない領域上に上部クラッド層３０８が形成される。すなわち、石英系光導波路１４５及び傾斜導波路１４６は、埋込メサ構造を有する。下部クラッド層３０４及び上部クラッド層３０８は、コア層３０６より屈折率の低い石英系の材料で形成される。下部クラッド層３０４及び上部クラッド層３０８は、同じ材料で形成されてもよい。傾斜導波路１４６は、石英系光導波路１４４及び石英系光導波路１４５と、同様の断面構造を有してよい。
【００３５】
図５は、第１の実施形態に係る光増幅装置１００のＵターン導波路１５２の模式的な断面図である。すなわち、図１のＶ−Ｖにおける模式的な断面図である。シリコンベンチ１４２上に半導体基板３１０が設けられる。半導体基板３１０は、化合物半導体で形成される。半導体基板３１０上の一部に下部クラッド層３１２が形成される。下部クラッド層３１２上にコア層３１４が形成される。コア層３１４上に上部クラッド層３１６が形成される。コア層３１４は化合物半導体で形成される。下部クラッド層３１２及び上部クラッド層３１６は、コア層３１４より屈折率が小さい化合物半導体で形成される。すなわち、Ｕターン導波路１５２はハイメサ構造を有する。一例として、半導体基板３１０がＩｎＰで形成され、コア層３１４がＩｎＧａＡｓＰで形成され、下部クラッド層３１２及び上部クラッド層３１６がＩｎＰで形成される。
【００３６】
光導波路に設ける折り返し部の曲率半径は、コアとクラッドの比屈折率の差が大きいほど小さくすることができる。そして、Ｕターン導波路１５２は、ハイメサ構造を有するので、コア層３１４と、その両側の空気との比屈折率の差が、例えば３０〜４０％以上と大きくなる。そこで、Ｕターン導波路１５２を上面から見たときの曲率半径を、例えば、１２５μｍと小さくできる。すなわち、石英系ＰＬＣチップ上でＵターン型の光導波路の折り返し構造を形成する場合に比べて、ＳＯＡ−ＣＯＳ１４０においてハイメサ構造を有するＵターン導波路１５２による折り返し構造を形成する方がＳＯＡ−ＣＯＳ１４０のサイズを小さくすることができる。したがって、光増幅装置１００のサイズを小さくすることができる。
【００３７】
図６は、第１の実施形態の係る光増幅装置１００が有する、第１の実施形態に係るＳＯＡ１５４の、導波路方向に垂直な方向の模式的な断面図である。ＳＯＡ１５４は、シリコンベンチ１４２上に搭載された半導体基板３１０に形成される。ＳＯＡ１５４は、半導体基板３１０、下部クラッド層３１２、活性層３１８、埋込層３２０、電流阻止層３２２、上部クラッド層３１６、コンタクト層３２４、保護層３２８、ｐ側電極３２６及びｎ側電極３３２を備える。
【００３８】
半導体基板３１０の裏面にｎ側電極３３２が形成され、シリコンベンチ１４２上にｎ側電極３３２が接する。半導体基板３１０は、化合物半導体で形成される。半導体基板３１０上に下部クラッド層３１２が形成される。下部クラッド層３１２上の一部に活性層３１８が形成される。活性層３１８は、ウェル層とバリア層とを交互に積層した、多重量子井戸構造を有する。例えば、活性層３１８は、５層のウェル層を有し、ウェル層の厚さが３．９ｎｍであり、バリア厚の厚さが１０ｎｍの多重量子井戸構造である。一例として、活性層３１８は、ＧａＩｎＡｓＰで形成される。
【００３９】
下部クラッド層３１２上に、活性層３１８が形成されていない領域では、下部クラッド層３１２が厚さ方向に一部除去される。すなわち、下部クラッド層３１２は、活性層３１８の下の領域で、活性層３１８が形成されていない領域より、厚い。活性層３１８が形成されていない領域で、下部クラッド層３１２上に埋込層３２０が形成される。埋込層３２０上に電流阻止層３２２が形成される。例えば、埋込層３２０はｐ−ＩｎＰで形成される。電流阻止層３２２は、例えば、ｎ−ＩｎＰで形成される。活性層３１８及び電流阻止層３２２上に上部クラッド層３１６が形成される。電流阻止層３２２の上面は、活性層３１８の上面より上側に突出する。すなわち、活性層３１８上の上部クラッド層３１６は、電流阻止層３２２上の活性層３１８より厚い。
【００４０】
上部クラッド層３１６上であって、活性層３１８の上方にコンタクト層３２４が形成される。コンタクト層３２４上及び上部クラッド層３１６上に保護層３２８が形成される。コンタクト層３２４上の一部で保護層３２８が除去されて、ｐ側電極３２６が形成される。ｐ側電極３２６は、保護層３２８の開口部から、保護層３２８上まで形成される。すなわち、ｐ側電極３２６の幅は、活性層３１８の幅より広くてよい。ここで幅とは、活性層３１８における光路の方向、及び、活性層３１８の厚さ方向に垂直な方向の長さをいう。ｐ側電極３２６及びｎ側電極３３２から注入されたホールおよび電子のキャリアによって反転分布が形成され、活性層３１８において、光が増幅される。
【００４１】
図７は、第１の実施形態に係るＳＯＡ１５４における閉じ込め係数（Γ）と利得の非線形性の関係を示す図である。閉じ込め係数（Γ）は、活性層３１８に閉じ込められた光の、ＳＯＡ１５４における光に対する比をいう。図７に示した結果は、ＳＯＡ１５４のメサ幅が２μｍであり、ＳＯＡ長が１０００μｍであり、ｐ側電極３２６及びｎ側電極３３２から注入される電流が２００ｍＡであるときの結果である。ここで、メサ幅とは、光路長方向、及び、注入される電流の方向に垂直な方向の活性層３１８の幅をいう。また、ＳＯＡ長とは、ＳＯＡ１５４において、活性層３１８、ｐ側電極３２６、及び、ｎ側電極３３２の、いずれもが形成されている領域の、光路長方向に平行な方向の長さをいう。すなわち、ＳＯＡ１５４において、ＳＯＡ長の範囲で、光が増幅される。
【００４２】
図７の上側のグラフは、閉じ込め係数（Γ）を１％から５％まで変化させたときの、ＳＯＡ１５４に入力される光の強度と、利得の関係を示す。横軸は、ＳＯＡ１５４に入力される光の強度（ｄＢｍ）であり、縦軸は利得（ｄＢ）である。入力される光の強度が０ｄＢより小さい領域では、利得の入力される光の強度に対する依存性が小さく、入力される光の強度が−１０ｄＢ以下では、入力される光の強度に利得が依存しない。入力される光の強度が大きくなるにつれて、利得が入力される光の強度に依存する。また、入力される光の強度が大きくなると利得が小さくなる。
【００４３】
図７の下側のグラフは、入力される光の強度が０ｄＢのときの、閉じ込め係数（Γ）と利得の非線形性の関係を示す。０ｄＢは、長距離光通信におけるブースタアンプ、およびプリアンプに入力する最大パワーである。横軸は、閉じ込め係数（Γ）であり、縦軸は利得の非線形性（ｄＢ／ｄＢｍ）である。ここで利得の非線形性とは、入力される光の単位強度当たりの利得の変化量をいう。すなわち、利得の非線形性は、横軸に入力される光の強度、縦軸に利得をとったときの、グラフの傾きの値である。閉じ込め係数が小さいほど、利得の非線形性の絶対値が小さくなる。
【００４４】
利得の非線形性は、閉じ込め係数（Γ）に対して線形的に減少する傾向にある。閉じ込め係数１．５％以下で、ＳＯＡ１５４の利得の非線形性は０．１３ｄＢ／ｄＢｍ以下となる。また、閉じ込め係数１．６％以下で、ＳＯＡ１５４の利得の非線形性は０．１５ｄＢ／ｄＢｍ以下となる。したがって、光増幅装置１００のＰＤＧが０．５ｄＢ以下となるので、光通信で許容される値となる。
【００４５】
図８は、第１の実施形態に係るＳＯＡ１５４におけるメサ幅と利得の非線形性の関係を示す図である。図８に示した結果は、ＳＯＡ１５４のＳＯＡ長が１０００μｍであり、閉じ込め係数（Γ）が２．５％であり、ｐ側電極３２６及びｎ側電極３３２から注入される電流が２００ｍＡであるときの結果である。
【００４６】
図８の上側のグラフは、メサ幅を２μｍから８μｍまで変化させたときの、ＳＯＡ１５４に入力される光の強度と、利得の関係を示す。横軸は、ＳＯＡ１５４に入力される光の強度（ｄＢｍ）であり、縦軸は利得（ｄＢ）である。結果の傾向は、図７の上側のグラフと同様である。図８の下側のグラフは、入力される光の強度が０ｄＢのときの、メサ幅と利得の非線形性の関係を示す。横軸は、メサ幅であり、縦軸は利得の非線形性（ｄＢ／ｄＢｍ）である。メサ幅が広くなると、利得の非線形性が低減される。ただし、メサ幅が２．５μｍより大きくなると、マルチモードとなる。したがって、長距離の光通信用アンプとしては、ＳＯＡ１５４のメサ幅が２．５μｍ以下であることが好ましい。
【００４７】
図９は、第１の実施形態に係るＳＯＡ１５４の長さと利得の非線形性の関係を示す図である。すなわち、ＳＯＡ１５４のＳＯＡ長を変化させたときの、ＳＯＡ１５４に入力される光の強度を変化させたときの利得及び利得の非線形性を示した。図９に示した結果は、ＳＯＡ１５４の閉じ込め係数（Γ）が２．５％であり、メサ幅が２μｍであり、ｐ側電極３２６及びｎ側電極３３２から注入される電流が２００ｍＡであるときの結果である。
【００４８】
図９の上側のグラフは、ＳＯＡ長を５００μｍから１０００μｍまで変化させたときの、ＳＯＡ１５４に入力される光の強度と、利得の関係を示す。横軸は、ＳＯＡ１５４に入力される光の強度（ｄＢｍ）であり、縦軸は利得（ｄＢ）である。結果の傾向は、図７及び図８の上側のグラフと同様である。図９の下側のグラフは、入力される光の強度が０ｄＢのときの、ＳＯＡ長と利得の非線形性の関係を示す。横軸は、ＳＯＡ長であり、縦軸は利得の非線形性（ｄＢ／ｄＢｍ）である。ＳＯＡ長が長くなると、利得の非線形性が大きくなる。
【００４９】
利得の非線形性は、ＳＯＡ長に対して減少する傾向にある。ＳＯＡ長が５５０μｍ以下で、ＳＯＡ１５４の利得の非線形性は０．１３ｄＢ／ｄＢｍ以下となる。また、ＳＯＡ長が６００μｍ以下で、ＳＯＡ１５４の利得の非線形性は０．１６ｄＢ／ｄＢｍ以下となる。したがって、光増幅装置１００のＰＤＧが０．５ｄＢ以下となるので、光通信で許容される値となる。
【００５０】
以上の結果から、ＳＯＡ１５４の光閉じ込め係数をΓとし、ＳＯＡ長をＬとすると、Γ×Ｌ＜１５００％μｍであることが好ましい。これにより、ＳＯＡ１５４の利得の非線形性は０．１６ｄＢ／ｄＢｍ以下となり、光増幅装置１００のＰＤＧが０．５ｄＢ以下となるので、光通信で許容される値となる。
【００５１】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係るＳＯＡ１５４の模式的な断面図である。光増幅装置１００のＳＯＡ１５４は、図６に示した第１の実施形態に係るＳＯＡ１５４に限定されず、図１０に断面図を示した第２の実施形態に係るＳＯＡ１５４を用いてもよい。図１０において、図６と同一の符号を付した要素は、図６において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。第２の実施形態に係るＳＯＡ１５４は、下部クラッド層３１２、活性層３１８、上部クラッド層３１６、埋込層３２０、及び、電流阻止層３２２の形状、並びに、反射膜３３０を有すること以外は、第１の実施形態に係るＳＯＡ１５４と、同様である。
【００５２】
ＳＯＡ１５４は、シリコンベンチ１４２上に搭載された半導体基板３１０に形成される。ＳＯＡ１５４は、半導体基板３１０、下部クラッド層３１２、活性層３１８、埋込層３２０、電流阻止層３２２、上部クラッド層３１６、コンタクト層３２４、保護層３２８、反射膜３３０、ｐ側電極３２６及びｎ側電極３３２を備える。
【００５３】
下部クラッド層３１２の上側の一部、活性層３１８、及び、上部クラッド層３１６の下側の一部は、テーパー形状を有する。また、活性層３１８が形成されていない領域の下部クラッド層３１２の上面、活性層３１８の側面、及び、活性層３１８上であって電流阻止層３２２に挟まれた領域に形成された上部クラッド層３１６の側面は、下に凸の曲面を有する。
【００５４】
埋込層３２０は、活性層３１８が形成されていない領域の下部クラッド層３１２の上面、活性層３１８の側面、及び、活性層３１８上であって電流阻止層３２２に挟まれた領域に形成された上部クラッド層３１６の側面に接して形成される。また、電流阻止層３２２の厚さは、ＳＯＡ１５４の光路の中心に近いほど薄い。電流阻止層３２２は埋込層３２０上に形成されるしたがって、埋込層３２０と電流阻止層３２２との界面は、下に凸の曲面を有する。電流阻止層３２２の上面は、半導体基板３１０の上面に平行である。
【００５５】
下部クラッド層３１２、埋込層３２０、電流阻止層３２２、上部クラッド層３１６、及び保護層３２８の両端には、光を反射する反射膜３３０が形成される。ｐ側電極３２６及びｎ側電極３３２からキャリアが注入されて、活性層３１８から放出された光が、反射膜３３０で反射される。これにより、ＳＯＡ１５４の光路の方向と垂直な方向で、半導体基板３１０の表面に平行な方向に共振する。したがって、ＳＯＡ１５４における利得は一定となる。すなわち、ＳＯＡ１５４において、利得クランプされる。ＳＯＡ１５４における利得が、ＳＯＡ１５４に入力される光の強度に依存せず一定となるので、利得の非線形性が小さくなる。これによって、光増幅装置１００のＰＤＧが小さくなる。
【００５６】
図１１は、本発明の第３の実施形態に係るＳＯＡ１５４の模式的な上視図である。ＳＯＡ１５４は、光導波路３５２、利得クランプ導波路３５４、回折格子３５６、及び、反射防止膜３５０を有する。利得クランプ導波路３５４の両側に、回折格子３５６が形成される。ここで、利得クランプ導波路３５４の両側とは、光路と垂直で、シリコンベンチ１４２の表面と平行な方向における両側をいう。利得クランプ導波路３５４の光路方向の両端には、光導波路３５２が結合される。光導波路３５２の、利得クランプ導波路３５４とは反対側の端部には反射防止膜３５０が形成される。すなわち、ＳＯＡ１５４の光路方向の両端に反射防止膜３５０が形成される。反射防止膜３５０により、ＳＯＡ１５４の両端における光の反射が抑えられる。ＳＯＡ１５４のＶＩ−ＶＩにおける断面は、図６と同じ構造を有する。
【００５７】
利得クランプ導波路３５４で発した光は、回折格子３５６で反射される。これにより、ＳＯＡ１５４の光路の方向と垂直な方向で、シリコンベンチ１４２の表面に平行な方向に共振する。したがって、ＳＯＡ１５４における利得は一定となる。すなわち、ＳＯＡ１５４において、利得クランプされる。ＳＯＡ１５４における利得が、ＳＯＡ１５４に入力される光の強度に依存せず一定となるので、利得の非線形性が小さくなる。これによって、光増幅装置１００のＰＤＧが小さくなる。
【００５８】
図１２は、第３の実施形態に係るＳＯＡ１５４の利得クランプ導波路３５４における模式的な断面図である。すなわち、図１２は、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩにおける模式的な断面図である。図１２において、図６と同一の符号を付した要素は、図６において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。ＳＯＡ１５４は、シリコンベンチ１４２上に搭載された半導体基板３１０に形成される。ＳＯＡ１５４は、利得クランプ導波路３５４における断面において、半導体基板３１０、下部クラッド層３１２、活性層３１８、上部クラッド層３１６、埋込層３２０、電流阻止層３２２、コンタクト層３２４、ｐ側電極３２６、保護層３２８、及び、ｎ側電極３３２を有する。
【００５９】
半導体基板３１０上に下部クラッド層３１２が形成される。下部クラッド層３１２上に活性層３１８が形成される。活性層３１８の、光路となる中央の領域を挟んだ両側の一部で、活性層３１８が除去される。活性層３１８が除去された領域で下部クラッド層３１２が厚さ方向に一部除去される。すなわち、活性層３１８が除去された領域の下側は、他の領域に比べて、下部クラッド層３１２が薄い。活性層３１８が除去された領域に、埋込層３２０が形成される。埋込層３２０上に電流阻止層３２２が形成される。
【００６０】
埋込層３２０及び電流阻止層３２２で挟まれた領域が利得クランプ導波路３５４となる。活性層３１８の光路となる中央の領域に対して、埋込層３２０及び電流阻止層３２２を挟んだ反対側の領域で、活性層３１８に、複数のＩｎＰ埋込層３６０がＩｎＰで形成される。ＩｎＰ埋込層３６０は、活性層３１８の上面から深さ方向に、所定の深さまで形成される。また、ＩｎＰ埋込層３６０は、光路の方向に沿って、所定の間隔で形成される。複数のＩｎＰ埋込層３６０が形成された活性層３１８は回折格子３５６として働き、光を光路と垂直方向に反射する。ただし、回折格子３５６は、複素屈折率が周期的に摂動する構成であればよく、ＩｎＰ埋込層３６０が形成された活性層３１８に限られない。
【００６１】
活性層３１８の上面より電流阻止層３２２の上面が上方に突出している。活性層３１８及び電流阻止層３２２上に、上部クラッド層３１６が形成される。上部クラッド層３１６上にコンタクト層３２４が形成される。電流阻止層３２２の上方でコンタクト層３２４が除去されて、保護層３２８が形成される。コンタクト層３２４上に、ｐ側電極３２６が形成される。ｐ側電極３２６及びｎ側電極３３２からキャリアが注入されて活性層３１８で発した光は、複数のＩｎＰ埋込層３６０を有する回折格子３５６で反射されて共振するので、利得クランプ導波路３５４で利得クランプされる。
【００６２】
図１３は、本発明の第４の実施形態に係るＳＯＡ１５４の光導波路３５２における模式的な断面図である。第４の実施形態に係るＳＯＡ１５４の上面図は、第３の実施形態に係るＳＯＡ１５４の上面図である図１１と同じである。図１３は、図１１のＶＩ−ＶＩにおける、第４の実施形態に係るＳＯＡ１５４の模式的な断面図である。図１３において、図６と同一の符号を付した要素は、図６において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。
【００６３】
シリコンベンチ１４２に搭載された半導体基板３１０にＳＯＡ１５４が形成される。ＳＯＡ１５４は、光導波路３５２において、半導体基板３１０、下部クラッド層３１２、活性層３１８、上部クラッド層３１６、コンタクト層３２４、ｐ側電極３２６、保護層３２８、及び、ｎ側電極３３２を有する。第４の実施形態に係るＳＯＡ１５４の光導波路３５２における断面は、埋込層３２０及び電流阻止層３２２を有さず、上部クラッド層３１６及び保護層３２８の形状が異なる点で、図６に示した断面と異なる。
【００６４】
上部クラッド層３１６は、光路に沿った中央部分の両側で、厚さ方向に一部が除去される。上部クラッド層３１６が厚さ方向に一部除去された領域では、他の領域より上部クラッド層３１６が薄い。そして、上部クラッド層３１６が除去された領域で、上部クラッド層３１６上に保護層３２８が形成される。保護層３２８で挟まれた領域で、他の領域より厚い上部クラッド層３１６上にコンタクト層３２４が形成される。コンタクト層３２４上にｐ側電極３２６が形成される。保護層３２８の上面は、コンタクト層３２４の上面より上方に突出している。ｐ側電極３２６の幅は、コンタクト層３２４の幅より広い。
【００６５】
図１４は、第４の実施形態に係るＳＯＡ１５４の利得クランプ導波路３５４における模式的な断面図である。すなわち、図１４は、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩにおける、第４の実施形態に係るＳＯＡ１５４の模式的な断面図である。図１４において、図１２と同一の符号を付した要素は、図６において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。シリコンベンチ１４２に搭載された半導体基板３１０にＳＯＡ１５４が形成される。ＳＯＡ１５４は、利得クランプ導波路３５４において、半導体基板３１０、下部クラッド層３１２、活性層３１８、ＩｎＰ埋込層３６０、上部クラッド層３１６、コンタクト層３２４、ｐ側電極３２６、保護層３２８、及び、ｎ側電極３３２を有する。第４の実施形態に係るＳＯＡ１５４の利得クランプ導波路３５４における断面は、埋込層３２０及び電流阻止層３２２を有さず、上部クラッド層３１６及び保護層３２８の形状が異なる点で、図１２に示した断面と異なる。
【００６６】
上部クラッド層３１６は、光路に沿った中央部分の両側の一部で、他の領域より薄い。そして、上部クラッド層３１６が他の領域より薄い領域で、上部クラッド層３１６上に保護層３２８が形成される。他の領域より上部クラッド層３１６が厚い領域で、上部クラッド層３１６上にコンタクト層３２４が形成される。コンタクト層３２４上にｐ側電極３２６が形成される。保護層３２８の上面は、コンタクト層３２４の上面より上方に突出している。ｐ側電極３２６の幅は、コンタクト層３２４の幅より広い。ｐ側電極３２６及びｎ側電極３３２から注入されるキャリアは、保護層３２８によって、活性層３１８の中央部分に集中する。キャリアが注入されて活性層３１８で発した光は、複数のＩｎＰ埋込層３６０を有する回折格子３５６で反射されて共振するので、利得クランプ導波路３５４で利得クランプされる。ＳＯＡ１５４における利得が、ＳＯＡ１５４に入力される光の強度に依存せず一定となるので、利得の非線形性が小さくなる。これによって、光増幅装置１００のＰＤＧが小さくなる。
【００６７】
図１５は、本発明の第５の実施形態に係るＳＯＡ１５４の模式的な上視図である。ＳＯＡ１５４は、ｐ側電極３２６、活性層３１８、及び、ブラッグクレーティング３６２を有する。図１５において、図６及び図１１と同一の符号を付した要素は、図６及び図１１において説明した要素と同一の機能および構成を有してよい。第５の実施形態に係るＳＯＡ１５４は、ｐ側電極３２６が形成されている領域で、図６に示した断面と同じ構造を有する。活性層３１８の光路に沿った両端には、ブラッグクレーティング３６２が形成される。ブラッグクレーティング３６２は、ＳＯＡ１５４の光路に沿った両端に形成されて、ＳＯＡ１５４の光路に沿った方向に副屈折率の周期的な摂動を与える。これにより、ｐ側電極３２６、及び、図１５には現れないｎ側電極からキャリアが注入されて、活性層３１８で発した光は、ブラッグクレーティング３６２で反射されて共振するので、ＳＯＡ１５４で利得クランプされる。ＳＯＡ１５４における利得が、ＳＯＡ１５４に入力される光の強度に依存せず一定となるので、利得の非線形性が小さくなる。これによって、光増幅装置１００のＰＤＧが小さくなる。
【００６８】
図１６は、本発明の第６の実施形態に係るＳＯＡ１５４の模式的な上視図である。ＳＯＡ１５４は、導波路３７２、カプラ３７４、アーム３７６、カプラ３７８、アーム３８０、増幅部３８２、増幅部３８４、導波路３８６、制御光用光源３８８、導波路３９０、導波路３９２を有する。アーム３７６に、光を増幅する増幅部３８２が形成される。アーム３８０に、光を増幅する増幅部３８４が形成される。増幅部３８２及び増幅部３８４はＳＯＡである。アーム３７６及びアーム３８０は互いに平行に形成され、それぞれの両端にカプラ３７４及びカプラ３７８が形成される。アーム３７６に対して、カプラ３７４を挟んで反対側には、導波路３７２が形成される。アーム３７６に対して、カプラ３７８と反対側には、導波路３９０が形成される。導波路３９０のカプラ３７８と反対側の端部には、制御光用光源３８８が形成される。制御光用光源３８８は例えばＤＦＢレーザである。アーム３８０に対して、カプラ３７４を挟んで反対側には、導波路３９２が形成される。アーム３８０とカプラ３７８を挟んで反対側には、導波路３８６が形成される。
【００６９】
制御光用光源３８８から導波路３９０及びカプラ３７８を介して増幅部３８２及び増幅部３８４に入力される光量が、制御光用光源３８８を制御することで制御される。これにより、増幅部３８２及び増幅部３８４における利得を制御できる。ＳＯＡ１５４に入力される光の強度に応じて、制御光用光源３８８を制御して、ＳＯＡ１５４における利得の非線形性を小さくして、光増幅装置１００のＰＤＧを小さくすることができる。
【００７０】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００７１】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００７２】
１００ 光増幅装置、１０２ サーキュレータ、１１０ ＰＬＣ−ＰＢＳチップ、１１２ 入力ポート、１１４ 出力ポート、１１６ カプラ、１１８ ＴＭ出力ポート、１２０ ＴＥ出力ポート、１２２ ヒーター、１２４ ＭＺＩ、１２６ 石英系光導波路、１２７ 石英系光導波路、１３０ スリット、１３２ 半波長板、１４０ ＳＯＡ−ＣＯＳ、１４２ シリコンベンチ、１４４ 石英系光導波路、１４５ 石英系光導波路、１４６ 傾斜導波路、１４８ ＳＯＡチップ、１５０ 半導体光導波路、１５２ Ｕターン導波路、１５４ ＳＯＡ、２０２ 中心軸、２０４ 中心軸、２０６ 中心軸、２０８ 接合面、２１０ 反射防止コート、２１２ 幅狭部、２１４ 曲げ部、２１６ ＳＳＣ、２１８ 幅広部、３０２ ＰＬＣプラットフォーム、３０４ 下部クラッド層、３０６ コア層、３０８ 上部クラッド層、３１０ 半導体基板、３１２ 下部クラッド層、３１４ コア層、３１６ 上部クラッド層、３１８ 活性層、３２０ 埋込層、３２２ 電流阻止層、３２４ コンタクト層、３２６ ｐ側電極、３２８ 保護層、３３０ 反射膜、３３２ ｎ側電極、３５０ 反射防止膜、３５２ 光導波路、３５４ 利得クランプ導波路、３５６ 回折格子、３６０ ＩｎＰ埋込層、３６２ ブラッグクレーティング、３７２ 導波路、３７４ カプラ、３７６ アーム、３７８ カプラ、３８０ アーム、３８２ 増幅部、３８４ 増幅部、３８６ 導波路、３８８ 制御光用光源、３９０ 導波路、３９２ 導波路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光の入力及び出射光の出力を行う入出力部と、
前記入出力部から入力された前記入射光の偏光成分を分岐して、第１の偏光を有する第１偏光モード光、及び、前記第１の偏光と異なる第２の偏光を有する第２偏光モード光を出力する偏光分離部と、
前記第１偏光モード光が入力され、前記第１の偏光を前記第２の偏光に変換して、第１偏光変換光を出力する偏光変換部と、
導波路の一方の端部に入力された前記第１偏光変換光が増幅されて他方の端部から出力され、前記他方の端部に入力された前記第２偏光モード光が増幅されて前記一方の端部から出力される、光増幅部と、を備え、
前記光増幅部に入力される光の、単位強度当たりの利得の変化の絶対値が、０．１６ｄＢ／ｄＢｍ以下である光増幅装置。
【請求項２】
前記光増幅部は、
第１半導体光増幅器と、
前記光増幅部の前記一方の端部と前記第１半導体光増幅との間を接続する第１導波路と、
前記第１半導体光増幅器に直列に接続された第２半導体光増幅器と、
前記光増幅器の前記他方の端部と前記第２半導体光増幅器との間を接続する第２導波路と、を備え、
前記第１導波路と、前記第２導波路との光路長が互いに等しい
請求項１に記載の光増幅装置。
【請求項３】
前記偏光分離部が、石英系平面光波回路で形成され、埋込メサ構造の導波路を有するマッハツェンダー干渉計回路を有し、
前記２つの半導体増幅器の間が、ハイメサ構造の導波路を有するＵターン部光導波路で接続されている
請求項２に記載の光増幅装置。
【請求項４】
前記光増幅部は、
前記第１偏光変換光及び前記第２偏光モード光が伝播する活性層と、
前記活性層にキャリアを注入する電極と、を有し、
前記活性層に閉じ込められた光と、前記光増幅部における光との比である閉じ込め係数をΓ％とし、
前記電極の長さをＬμｍとすると、
Γ×Ｌ＜１５００％μｍである
請求項１から３のいずれか一項に記載の光増幅装置。
【請求項５】
前記光増幅部は、
前記第１偏光変換光及び前記第２偏光モード光が伝播する活性層と、
光を反射する一対の光反射部と、を有し、
前記一対の光反射部で光が反射されて前記活性層で共振する
請求項１から３のいずれか一項に記載の光増幅装置。
【請求項６】
前記一対の光反射部は、前記活性層を挟んで両側に形成され、前記活性層における前記第１偏光変換光及び前記第２偏光モード光が伝播する方向に垂直な方向に光を反射する請求項５に記載の光増幅装置。
【請求項７】
前記一対の光反射部は、前記活性層に接して形成され、前記活性層における前記第１偏光変換光及び前記第２偏光モード光が伝播する方向と平行な方向に光を反射する請求項５に記載の光増幅装置。
【請求項８】
前記第１の偏光がＴＭ偏光であり、
前記第２の偏光がＴＥ偏光である請求項１から７のいずれか一項に記載の光増幅装置。
【請求項１】
入射光の入力及び出射光の出力を行う入出力部と、
前記入出力部から入力された前記入射光の偏光成分を分岐して、第１の偏光を有する第１偏光モード光、及び、前記第１の偏光と異なる第２の偏光を有する第２偏光モード光を出力する偏光分離部と、
前記第１偏光モード光が入力され、前記第１の偏光を前記第２の偏光に変換して、第１偏光変換光を出力する偏光変換部と、
導波路の一方の端部に入力された前記第１偏光変換光が増幅されて他方の端部から出力され、前記他方の端部に入力された前記第２偏光モード光が増幅されて前記一方の端部から出力される、光増幅部と、を備え、
前記光増幅部に入力される光の、単位強度当たりの利得の変化の絶対値が、０．１６ｄＢ／ｄＢｍ以下である光増幅装置。
【請求項２】
前記光増幅部は、
第１半導体光増幅器と、
前記光増幅部の前記一方の端部と前記第１半導体光増幅との間を接続する第１導波路と、
前記第１半導体光増幅器に直列に接続された第２半導体光増幅器と、
前記光増幅器の前記他方の端部と前記第２半導体光増幅器との間を接続する第２導波路と、を備え、
前記第１導波路と、前記第２導波路との光路長が互いに等しい
請求項１に記載の光増幅装置。
【請求項３】
前記偏光分離部が、石英系平面光波回路で形成され、埋込メサ構造の導波路を有するマッハツェンダー干渉計回路を有し、
前記２つの半導体増幅器の間が、ハイメサ構造の導波路を有するＵターン部光導波路で接続されている
請求項２に記載の光増幅装置。
【請求項４】
前記光増幅部は、
前記第１偏光変換光及び前記第２偏光モード光が伝播する活性層と、
前記活性層にキャリアを注入する電極と、を有し、
前記活性層に閉じ込められた光と、前記光増幅部における光との比である閉じ込め係数をΓ％とし、
前記電極の長さをＬμｍとすると、
Γ×Ｌ＜１５００％μｍである
請求項１から３のいずれか一項に記載の光増幅装置。
【請求項５】
前記光増幅部は、
前記第１偏光変換光及び前記第２偏光モード光が伝播する活性層と、
光を反射する一対の光反射部と、を有し、
前記一対の光反射部で光が反射されて前記活性層で共振する
請求項１から３のいずれか一項に記載の光増幅装置。
【請求項６】
前記一対の光反射部は、前記活性層を挟んで両側に形成され、前記活性層における前記第１偏光変換光及び前記第２偏光モード光が伝播する方向に垂直な方向に光を反射する請求項５に記載の光増幅装置。
【請求項７】
前記一対の光反射部は、前記活性層に接して形成され、前記活性層における前記第１偏光変換光及び前記第２偏光モード光が伝播する方向と平行な方向に光を反射する請求項５に記載の光増幅装置。
【請求項８】
前記第１の偏光がＴＭ偏光であり、
前記第２の偏光がＴＥ偏光である請求項１から７のいずれか一項に記載の光増幅装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１３−５８６２８（Ｐ２０１３−５８６２８Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９６３８９（Ｐ２０１１−１９６３８９）
【出願日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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