光波形整形素子
【課題】光波形整形素子において、しきい値となる入力パワー（動作入力パワー）を低くしながら、Ｓ／Ｎを改善することで、劣化した信号の増幅、及び、光信号の雑音を抑制して波形を整形する波形整形を同時に実現できるようにする。
【解決手段】光波形整形素子を、活性層３を有する半導体光導波路１０を備え、光増幅領域Ａ1〜Ａnと光吸収領域Ｂ1〜Ｂnとを半導体光導波路１０に沿って交互に設け、一の光増幅領域Ａ1の長さを、入力パワーのオンレベル時に所望の増幅率が得られるように他の光増幅領域よりも長くし、オンレベル時に、一の光増幅領域Ａ1以外の各光増幅領域Ａ2〜Ａn及び各光吸収領域Ｂ1〜Ｂnによってパワーレベルが維持されるようにし、入力パワーがオフレベルの時に、出力パワーレベルが入力パワーレベル以下になるように、各光吸収領域Ｂ1〜Ｂnによって吸収されるようにする。
【解決手段】光波形整形素子を、活性層３を有する半導体光導波路１０を備え、光増幅領域Ａ1〜Ａnと光吸収領域Ｂ1〜Ｂnとを半導体光導波路１０に沿って交互に設け、一の光増幅領域Ａ1の長さを、入力パワーのオンレベル時に所望の増幅率が得られるように他の光増幅領域よりも長くし、オンレベル時に、一の光増幅領域Ａ1以外の各光増幅領域Ａ2〜Ａn及び各光吸収領域Ｂ1〜Ｂnによってパワーレベルが維持されるようにし、入力パワーがオフレベルの時に、出力パワーレベルが入力パワーレベル以下になるように、各光吸収領域Ｂ1〜Ｂnによって吸収されるようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光波形整形素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
将来の大容量フォトニックネットワークの実現に向けて、図１０に示すように、光ファイバの分散や中継増幅器によるノイズなどによって劣化した波形を光のまま再生する技術が求められており、盛んに研究されている。
このような技術は、通常、２Ｒ（Reamplification and Reshaping）、或いは、これにリタイミングを加えて３Ｒ（Reamplification, Reshaping, and Retiming）と呼ばれている。
【０００３】
従来、光半導体素子によって波形整形する技術として、例えば図１１（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、半導体光増幅器（ＳＯＡ；Semiconductor Optical Amplification）と光導波路とをモノリシックに集積し、マッハツェンダ（ＭＺ：Mach-Zehnder）干渉計［図１１（Ａ）参照］、対称マッハツェンダ（ＳＭＺ：Symmetric Mach-Zehnder）干渉計［図１１（Ｂ）参照］、遅延干渉計［図１１（Ｃ）参照］を構成したものを用いることが提案されている。このような素子を用いて４０〜８０Ｇｂ／ｓの信号を再生した例が報告されている（非特許文献１、２参照）。
【０００４】
また、単体素子を用いたものとしては、例えば図１１（Ｄ）に示すように、ＳＯＡの利得飽和を用いて、１（ＯＮ）レベル雑音を抑制する利得飽和方式も提案されている。
さらに、バルクや量子井戸活性層を持つＳＯＡでは利得応答速度が遅く、ビットレートが大幅に制限されてしまうため、活性層に利得応答速度の速い量子ドットを用い、可飽和吸収体を集積することによって、４０Ｇｂ／ｓ信号の０（ＯＦＦ）及び１（ＯＮ）レベルの雑音の圧縮が可能となることが示唆されている（非特許文献３参照）。
【０００５】
さらに、一段の増幅部と可飽和吸収部では十分な非線形性が得られないため、増幅部と可飽和吸収部を多段に配置した光非線形増幅素子が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−７５２１２号公報
【非特許文献１】D. Wolfson et al, "40-Gb/s All-Optical Wavelength Conversion, Regeneration, and Demultiplexing in an SOA-Based All-Active Mach-Zehnder Interferometer", IEEE Photon. Technol. Lett. 12, no. 3, pp. 332-334 (2000)
【非特許文献２】Y. Ueno et al, " Penalty-Free Error-Free All-Optical Data Pulse Regeneration at 84 Gb/s by Using a Symmetric-Mach-Zehnder-Type Semiconductor Regenerator", IEEE Photon. Technol. Lett. 13, no. 5, pp. 469-471 (2001)
【非特許文献３】秋山知之他、「量子ドット半導体光増幅器による４０Ｇｂ／ｓ信号再生」、２００５年春季応用物理学会学術講演会予稿集
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の図１１（Ａ）〜（Ｃ）に示すような干渉計を用いる方式では、入出力信号の波長が異なってしまうため、波長管理が必要になるほか、構成が複雑になるため、コストの上昇につながるという課題がある。
また、上述の図１１（Ｄ）に示すようなＳＯＡの利得飽和を用いる方式では、入出力信号の波長は同一であるが、０（ＯＦＦ）レベル雑音を抑制することができないという課題がある。
【０００７】
さらに、特許文献１で提案されている素子は、光の入射側から、順方向に電流が流れて利得を生じる増幅部、逆バイアスを印加して光を吸収する可飽和吸収部を交互に配置し、最終段の光増幅部の長さを他の光増幅部の長さよりも長くして増幅飽和を起こすような構造になっている（図７参照）。このような素子構造では、しきい値となる入力パワーが非常に大きくなってしまうため、光強度が低下している信号に対して増幅及び波形整形を行なう２Ｒ，３Ｒ動作には不利である。また、最終段が光増幅部になっているため、自然放出光（ＡＳＥ光）が重畳されてしまい、Ｓ／Ｎの改善に不利である。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、しきい値となる入力パワー（動作入力パワー）を低くしながら、Ｓ／Ｎを改善することで、劣化した信号（強度が低下したり、波形が乱れたりしている信号等）の増幅、及び、光信号の雑音を抑制して波形を整形する波形整形を同時に実現できるようにした、光波形整形素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このため、本発明の光波形整形素子は、活性層を有する半導体光導波路を備え、活性層を有する半導体光導波路を備え、光増幅領域と光吸収領域とが半導体光導波路に沿って交互に設けられており、一の光増幅領域の長さが、入力光信号のパワーがオンレベルの時に所望の増幅率が得られるように他の光増幅領域よりも長くなっており、オンレベル時に、一の光増幅領域以外の各光増幅領域及び各光吸収領域によってパワーレベルが維持されるようになっており、入力光信号のパワーがオフレベルの時に、出力光信号のパワーレベルが入力光信号のパワーレベル以下になるように、各光吸収領域によって吸収されるようになっていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
したがって、本発明の光波形整形素子によれば、しきい値となる入力パワー（動作入力パワー）を低くしながら、Ｓ／Ｎを改善することができ、劣化した信号（強度が低下したり、波形が乱れたりしている信号等）の増幅、及び、光信号の雑音を抑制して波形を整形する波形整形を同時に実現することができるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる光波形整形素子について、図１〜図９を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる光波形整形素子は、図１に示すように、活性層３を有する半導体光導波路１０を備え、光増幅領域（利得領域）Ａ1〜Ａnと光吸収領域Ｂ1〜Ｂnとが半導体光導波路１０が延びる方向に沿って（光導波方向に沿って）交互に設けられている。
【００１２】
つまり、本光波形整形素子は、図１に示すように、一の導電型（ここではｎ型）の半導体基板１上に形成された半導体光導波路１０上に、活性層３に順バイアスで電流を注入する領域（光増幅領域）Ａ1〜Ａnと活性層３に逆バイアス電圧を印加する領域（光吸収領域）Ｂ1〜Ｂnとが交互に形成されるように、他の導電型（ここではｐ型）のコンタクト層７及び電極８が分割されて形成された導波路型能動光半導体素子として構成される。
【００１３】
ここでは、光増幅領域Ａ1〜Ａn及び光吸収領域Ｂ1〜Ｂnは、同一の活性層３を有する半導体光導波路１０によって構成される。また、活性層３は量子ドット活性層としている。これにより、４０Ｇｂ／ｓ以上の高ビットレートの信号再生を実現しうる。
また、図１に示すように、本光波形整形素子の入射端面及び出射端面（即ち、半導体光導波路１０の入射端面及び出射端面）の両端面には無反射コーティングが施されて、反射防止膜（無反射構造）１１が形成されている。
【００１４】
さらに、図４に示すように、半導体光導波路１０は、反射防止のために、出射端面に対して傾斜している斜め導波路として構成されている。つまり、半導体光導波路１０を構成する活性層３が、出射端面に対して傾斜するように斜めに形成されている。
特に、本実施形態では、図１に示すように、半導体光導波路１０の最入射端側の領域が光増幅領域Ａ1になっており、最出射端側の領域が光吸収領域Ｂnになっている。つまり、半導体光導波路１０の光導波方向に沿って、光増幅領域で始まり、光吸収領域で終わるような構造になっている。
【００１５】
また、本実施形態では、図１に示すように、最入射端側の光増幅領域（光入射直後の光増幅領域）Ａ1の長さは、入力光信号のパワーがオンレベル（１レベル）の時に所望の増幅率が得られるように、他の光増幅領域Ａ2〜Ａnよりも長くなっている。
ここでは、最入射端側の光増幅領域（光入射直後の光増幅領域）Ａ1は、オンレベル時に入力信号光のパワーレベルを利得飽和が起こるパワーレベルまで増幅しうる長さに設定されている。このように、最入射端側の光増幅領域（光入射直後の光増幅領域）Ａ1の長さを長くすることで、光増幅領域Ａ1において利得飽和が起こるようにし、これにより、１レベル雑音（オンレベル雑音）を抑制し、Ｓ／Ｎを改善するようにしている。
【００１６】
そして、オンレベル時に、最入射端側の光増幅領域Ａ1によって高められたパワーレベルが、その後の各光増幅領域Ａ2〜Ａn及び各光吸収領域Ｂ1〜Ｂnによって同一のレベル又はその上下近傍のレベルに維持されるようになっている。
さらに、本実施形態では、入力光信号のパワーがオフレベル（０レベル）の時に、出力光信号のパワーレベルが入力光信号のパワーレベル以下になるように、各光吸収領域Ｂ1〜Ｂnによって吸収されるようになっている。これにより、０レベル雑音を抑制できるようにしている。特に、最出射端側を光吸収領域とすることで、素子長を短くしながら、０レベル雑音を抑制できるようにしている。
【００１７】
以下、本光波形整形素子について、より具体的に説明する。
本光波形整形素子は、図２に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層２を介して活性層３を含むメサ構造が形成されており、電流狭窄及び光の閉じ込めのために、このメサ構造がｐ型ＩｎＰ層４とｎ型ＩｎＰ層５とをｐｎ接合してなる埋込層によって埋め込まれた構造になっている。
【００１８】
また、ｎ型ＩｎＰ埋込層５上にはｐ型ＩｎＰクラッド層６が形成されており、このｐ型ＩｎＰクラッド層６上にｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７が積層されている。
そして、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７上にｐ側電極（電極金属）８が形成されている。一方、ｎ側電極（電極金属）９はｎ型ＩｎＰ基板１の裏面に形成されている。
ここでは、活性層３は、図３の活性層部分を拡大した断面図に示すように、多重積層量子ドット層３Ｘの上下をＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層３Ｙ，３Ｚで挟み込んだ構造になっている。
【００１９】
ここで、多重積層量子ドット層３Ｘは、図３に示すように、ＩｎＡｓ量子ドット３ＡをＩｎＧａＡｓＰバリア層３Ｂで埋め込んだ量子ドット層３Ｃを、各量子ドット層３Ｃの量子ドット３Ａが接合されるように、複数層（ここでは２２層）積層させた構造になっている。つまり、多重積層量子ドット層３Ｘは、図３に示すように、量子ドット３Ａが複数積層されてなる多重積層量子ドット３ＤをＩｎＧａＡｓＰバリア層３Ｂで埋め込んだ構造になっている。
【００２０】
特に、本光波形整形素子は、図１に示すように、１つの素子上に光増幅領域Ａ1〜Ａnと光吸収領域Ｂ1〜Ｂnとを形成するために、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７及びｐ側電極８は光導波方向に沿って複数の領域に分割されている。
ここでは、エッチングによってｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７の一部を取り除いて、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７を光導波方向に沿って複数の領域に分割し、これらの分割された各領域の上に独立にｐ側電極８を形成するようにしている。
【００２１】
したがって、本実施形態にかかる光波形整形素子によれば、単体素子で、しきい値となる入力パワー（動作入力パワー）を低くしながら、Ｓ／Ｎを改善することができ、劣化した信号（強度が低下したり、波形が乱れたりしている信号等）の増幅、及び、光信号の雑音を抑制して波形を整形する波形整形を同時に実現することができるという利点がある。
ここで、図５（Ａ），（Ｂ）は、上述のように構成される本光波形整形素子において、最入射端側の光増幅領域Ａ1の長さを７４０μｍとし、これ以外の光増幅領域Ａ2〜Ａ4及び光吸収領域Ｂ1〜Ｂ3の長さを各々１８０μｍとし、最入射端側の光増幅領域Ａ1の後に、１つの光吸収領域と１つの光増幅領域とを１組としてこれを３回繰り返し（３つの光吸収領域Ｂ1〜Ｂ3，３つの光増幅領域Ａ2〜Ａ4）、最後に光吸収領域Ｂ4で終端するようにした場合の光導波方向におけるパワーの変化を示している。
【００２２】
ここでは、入力パワーが０ｄＢｍ［これを１レベル（オンレベル）とする］の時に、光増幅領域Ａ1によって高められたパワーレベルがその後の光増幅領域Ａ2〜Ａ4及び光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4で一定のレベルに保たれるように、光増幅領域（利得領域）Ａ2〜Ａ4における利得と光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4における吸収量を調整している［図５（Ａ）参照］。つまり、光増幅領域Ａ2〜Ａ4における光増幅率と、光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4における光吸収率とが等しくなるようにしている。
【００２３】
本実施形態では、最入射端側の光増幅領域Ａ1を、オンレベル（１レベル）時に入力信号光のパワーレベルを利得飽和が起こるパワーレベルまで増幅しうる長さに設定することで、オンレベル（１レベル）時に、光増幅領域Ａ2〜Ａ4及び光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4に入力される光信号のパワーレベルが高くなるようにして、光増幅領域Ａ2〜Ａ4において利得特性の飽和領域を用いて増幅され、光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4において吸収特性の飽和領域を用いて吸収されるようにしている。このように、光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4において吸収飽和が起こるようにして、光がよく透過するようにしながら、光増幅領域Ａ2〜Ａ4において利得飽和が起こるようにして、１レベル雑音（オンレベル雑音）を抑制し、Ｓ／Ｎを改善するようにしている。
【００２４】
この条件下で、入力パワーを−１０ｄＢｍ［これを０レベル（オフレベル）とする］にすると、パワーレベルが低いため、光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4における吸収量がオンレベル時（１レベル時）よりも多くなり、光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4においてパワーレベルが大きく下がるのに対し、光増幅領域Ａ2〜Ａ4の長さが短いため、光増幅領域Ａ2〜Ａ4において十分な利得が得られず、パワーレベルがあまり上がらないため、パワーレベルは徐々に下がっていく。この結果、図５（Ｂ）中、符号Ｘで示すように、出力パワーのレベルが入力パワーのレベル以下になり、０レベル雑音を抑制できることがわかる。
【００２５】
このように、オンレベル時に、最入射端側の光増幅領域Ａ1以外の各光増幅領域Ａ2〜Ａ4における光増幅率と各光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4における光吸収率とが等しくなり、オフレベル時に、各光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4における光吸収率が最入射端側の光増幅領域Ａ1以外の各光増幅領域Ａ2〜Ａ4における光増幅率よりも大きくなるように構成している。
また、上述のように、半導体光導波路１０に入射される光信号（伝送信号）がオフレベル（０レベル）の場合、パワーレベルが低いため、光増幅領域Ａ1〜Ａ4では利得特性の線形領域（線形利得）を用いて増幅が行なわれ、光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4では吸収特性の線形領域（線形吸収）を用いて吸収が行なわれるのに対し、オンレベル（１レベル）の場合、パワーレベルが高いため、光増幅領域Ａ1〜Ａ4では利得特性の飽和領域（利得飽和）を用いて増幅が行なわれ、光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4では吸収特性の飽和領域（吸収飽和）を用いて吸収が行なわれる。このため、光増幅領域Ａ1〜Ａ4は、利得特性が飽和領域を有する可飽和利得領域であり、光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4は、吸収特性が飽和領域を有する可飽和吸収領域である。
【００２６】
特に、０レベル時（入力パワーを−１０ｄＢｍにした時）の本光波形整形素子の終端部分におけるパワーに着目すると、最終段が光吸収領域になっている構造の方が、最終段が利得領域になっている構造よりも、短い素子長で０レベル雑音を抑制できるという点で有利であることがわかる。また、上述のＳＯＡ単体を用いる方式［図１１（Ｄ）参照］と比較して、０レベル雑音を抑制できる点で有利である。
【００２７】
ここで、図６（Ａ），（Ｂ）は、本光波形整形素子における入出力特性（伝達関数）を計算した結果を示している。
図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、本光波形整形素子によれば、しきい値となる入力パワーを低くしながら、２Ｒ動作に必須であるステップ状の入出力特性（入出力パワー特性、入力パワー／利得特性）を実現できることがわかる。このように１つの能動素子で２Ｒ動作が実現できるため、上述の干渉計を用いる方式［図１１（Ａ）〜（Ｃ）参照］と比較して、構成の単純化、低コスト化を図ることが可能となる。
【００２８】
ここで、図７は、比較例として、最入射端側（最入力端側）の領域及び最出射端側（最出力端側）の領域を共に光増幅領域（利得領域）とし、最出射端側の光増幅領域の長さを他の光増幅領域の長さよりも長くした構造のものを示している。つまり、本光波長整形素子に対して、最入射端側の光増幅領域Ａ1の長さを他の光増幅領域の長さと同一にし、さらに出射端側に他の光増幅領域Ａ1〜Ａnの長さよりも長い光増幅領域Ａn+1を加えたものを、比較例の光波長整形素子の構造として示している。なお、上述の特許文献１に記載されている素子は、最出射端側の光増幅領域の長さが他の光増幅領域の長さよりも長いという点で、この比較例のものと同様の構造を有する。
【００２９】
なお、ここでは、光増幅領域及び光吸収領域の長さは、上述の実施形態のものに合わせて、最出射端側の光増幅領域Ａ5の長さを７４０μｍとし、これ以外の光増幅領域Ａ1〜Ａ4及び光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4の長さを各々１８０μｍとし、最入射端側から、１つの光増幅領域と１つの光吸収領域とを１組としてこれを４回繰り返し（４つの光増幅領域Ａ1〜Ａ4，４つの光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4）、最後に光増幅領域Ａ5で終端するようにしている［図８（Ａ），（Ｂ）参照］。
【００３０】
また、図８（Ａ），（Ｂ）は、このように構成される比較例の素子の光導波方向におけるパワーの変化を示しており、図９（Ａ），（Ｂ）は、比較例の素子における入出力特性（入出力パワー特性、入力パワー／利得特性）を計算した結果を示している。
まず、図８（Ａ），（Ｂ）に示すように、１レベル（オンレベル）の場合と０レベル（オフレベル）の場合とで入出力特性が同様の特性になっているため、出力パワーのレベル差（出力光の強度差）が上述の本光波形整形素子よりも小さく、Ｓ／Ｎ（ＳＮ比）の改善効果が小さいことがわかる。また、比較例のように、最終段を光増幅領域とすると、自然放出光（ＡＳＥ）が重畳されてしまうため、Ｓ／Ｎ（ＳＮ比）を改善するには不利である。
【００３１】
また、図９（Ａ），（Ｂ）に示すように、上述の本光波形整形素子と同様にステップ状の特性が得られているものの、上述の本光波形整形素子（図６参照）に対して、しきい値となる入力パワー（動作入力パワー）が非常に大きくなってしまうため（即ち、入力パワーのレベルが非常に高くないと動作しなくないため）、強度が落ちている信号の増幅や波形整形を行なう２Ｒ動作あるいは３Ｒ動作には不利であることがわかる。
【００３２】
なお、上述の実施形態では、最入射端側の光増幅領域Ａ1において、オンレベル（１レベル）時に入力信号光のパワーレベルを利得飽和が起こるパワーレベルまで増幅し、その後の光増幅領域Ａ2〜Ａ4において利得特性の飽和領域（利得飽和）を用いて増幅が行なわれ、光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4において吸収特性の飽和領域（吸収飽和）を用いて吸収が行なわれるようにしているが、これに限られるものではなく、例えば、オンレベル時に、少なくともいずれかの光増幅領域において利得特性の飽和領域を用いて増幅されるように、最入射端側の光増幅領域Ａ1によって光信号が増幅されるようにすれば良い。つまり、最入射端側の光増幅領域Ａ1において入力信号光のパワーレベルを利得飽和が起こらないパワーレベルまで増幅し［即ち、利得特性の線形領域（線形利得）を用いてパワーレベルを増幅し］、その後のいずれかの光増幅領域において利得特性の飽和領域を用いて増幅されるようにすれば良い。これにより、１レベル雑音を抑制することができ、動作入力パワーを低くしながら、Ｓ／Ｎを改善することができる。
【００３３】
また、オンレベル時に他の光増幅領域よりも長い光増幅領域によって所望の増幅率が得られ、他の光増幅領域及び光吸収領域によってパワーレベルが維持されるようになっていれば良く、利得飽和を用いて増幅が行なわれるようにしたり、吸収飽和を用いて吸収が行なわれるようにしたりする必要はない。例えば、オンレベル時に、光増幅領域において利得特性の線形領域（線形利得）を用いて増幅が行なわれ、光吸収領域において吸収特性の線形領域（線形吸収）を用いて吸収が行なわれるようにしても良い。
【００３４】
さらに、オンレベル時に所望の増幅率が得られるように他の光増幅領域よりも長くなっている光増幅領域は、最入射端側に設けずに、任意の位置に設けることができる。
また、上述の実施形態では、同一材料・組成・構造の活性層を用い、光増幅領域Ａ2〜Ａ4の長さと光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4の長さを同一にし、順バイアス電流の注入量や逆バイアス電圧の印加量を調整することで、各光増幅領域Ａ2〜Ａ4における光増幅率と各光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4における光吸収率とが等しくなるようにしてパワーレベルが一定になるようにしているが、これに限られるものではなく、各光増幅領域Ａ2〜Ａ4における光増幅率と各光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4における光吸収率との関係は、活性層の材料・組成・構造や光増幅領域及び光吸収領域の長さの設計、順バイアス電流の注入量や逆バイアス電圧の印加量の調整などによって任意に決定することができる。少なくとも、オンレベル時に各光増幅領域Ａ2〜Ａ4及び各光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4よってパワーレベルが維持されるようになっていれば良く、例えば、オンレベル時に、各光増幅領域Ａ2〜Ａ4における光増幅率が各光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4における光吸収率よりも大きくなるようにしてパワーレベルが徐々に大きくなっていくようにしても良いし、逆に、各光増幅領域Ａ2〜Ａ4における光増幅率が各光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4における光吸収率よりも小さくなるようにしてパワーレベルが徐々に小さくなっていくようにしても良い。
【００３５】
また、上述の実施形態では、活性層に量子ドットを用いているが、これに限られるものではなく、活性層としてバルク活性層や量子井戸活性層を用いても上述の実施形態と同様の効果が得られる。例えば信号のビットレートが低い場合や利得飽和の浅い領域あるいは利得が線形の領域を用いる場合などはバルク活性層や量子井戸活性層を用いることもできる。
【００３６】
また、上述の実施形態では、ＩｎＰ系材料を用いた導波路埋込構造デバイスを例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、例えばＧａＡｓ系材料を用いても本発明にかかる光波形整形素子を実現することができる。
さらに、上述の実施形態では、埋込構造としてｐｎ埋込構造を用いているが、これに限られるものではなく、例えば半絶縁性埋込構造を用いても良い。また、上述の実施形態では、導波路埋込構造を用いているが、これに限られるものではなく、例えば導波路構造をリッジ構造にしても良い。
【００３７】
また、上述の実施形態では、コンタクト層の一部をエッチングして分割し、分割されたコンタクト層上に電極を形成するようにして、光増幅領域と光吸収領域とが分離されたものとして形成されるようにしているが、電極分離方法（電極分離構造）はこれに限られるものではない。例えばプロトン注入（イオン注入）によってコンタクト層の一部を高抵抗化して電極分離を行なうようにしても良い。
【００３８】
また、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。
（付記１）
活性層を有する半導体光導波路を備え、
光増幅領域と光吸収領域とが前記半導体光導波路に沿って交互に設けられており、
一の光増幅領域の長さが、入力光信号のパワーがオンレベルの時に所望の増幅率が得られるように他の光増幅領域よりも長くなっており、
前記半導体光導波路の最出射端側の領域が光吸収領域であり、
前記オンレベル時に、前記一の光増幅領域以外の各光増幅領域及び各光吸収領域によってパワーレベルが維持されるようになっており、
入力光信号のパワーがオフレベルの時に、出力光信号のパワーレベルが入力光信号のパワーレベル以下になるように、前記各光吸収領域によって吸収されるようになっていることを特徴とする光波形整形素子。
【００３９】
（付記２）
前記オンレベル時に、少なくともいずれかの光増幅領域において利得特性の飽和領域を用いて増幅されるように、前記一の光増幅領域によって増幅されるようになっていることを特徴とする、付記１記載の光波形整形素子。
（付記３）
前記オンレベル時に、前記一の光増幅領域以外の各光増幅領域における光増幅率と前記各光吸収領域における光吸収率とが等しくなり、前記オフレベル時に、前記各光吸収領域における光吸収率が前記一の光増幅領域以外の各光増幅領域における光増幅率よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする、付記１又は２記載の光波形整形素子。
【００４０】
（付記４）
前記一の光増幅領域が、前記半導体光導波路の最入射端側に設けられていることを特徴とする、付記１〜３のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
（付記５）
前記一の光増幅領域が、前記オンレベル時に入力信号光のパワーレベルを利得飽和が起こるパワーレベルまで増幅しうる長さに設定されていることを特徴とする、付記４記載の光波形整形素子。
【００４１】
（付記６）
前記一の光増幅領域が、利得特性が飽和領域を有する可飽和利得領域であることを特徴とする、付記４又は５記載の光波形整形素子。
（付記７）
前記一の光増幅領域以外の各光増幅領域が、利得特性が飽和領域を有する可飽和利得領域であり、
前記各光吸収領域が、吸収特性が飽和領域を有する可飽和吸収領域であることを特徴とする、付記６記載の光波形整形素子。
【００４２】
（付記８）
前記半導体光導波路の最出射端側の領域が光吸収領域であることを特徴とする、付記１〜７のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
（付記９）
前記光増幅領域及び前記光吸収領域は、同一の活性層を有する半導体光導波路によって構成され、
前記各光増幅領域は、前記活性層に順バイアス電流が注入されるようになっており、
前記光吸収領域は、前記活性層に逆バイアス電圧が印加されるようになっており、
前記オンレベル時に、前記一の光増幅領域以外の各光増幅領域における光増幅率と前記各光吸収領域における光吸収率とが等しくなるように、前記一の光増幅領域以外の各光増幅領域の前記活性層に順バイアス電流が注入され、かつ、前記各光吸収領域の前記活性層に逆バイアス電圧が印加されるようになっていることを特徴とする、付記１〜８のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【００４３】
（付記１０）
前記活性層が、量子ドット活性層であることを特徴とする、付記１〜９のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
（付記１１）
前記半導体光導波路の入射端面及び出射端面に無反射コーティングが施されていることを特徴とする、付記１〜１０のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【００４４】
（付記１２）
前記半導体光導波路が、前記出射端面に対して傾斜している斜め導波路として構成されていることを特徴とする、付記１〜１１のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施形態にかかる光波形整形素子の構成を示す模式的断面図（図２のＡ−Ａ′に沿う断面図）である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる光波形整形素子の構成を示す模式的断面図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる光波形整形素子を構成する活性層を示す模式的断面図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる光波形整形素子の構成を示す模式的断面図（図２のＢ−Ｂ′に沿う断面図）である。
【図５】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の一実施形態にかかる光波形整形素子の光導波方向におけるパワーの変化を示す図である。
【図６】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の一実施形態にかかる光波形整形素子の入出力特性を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態にかかる光波形整形素子に対する比較例の素子の構成を示す模式的断面図である。
【図８】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の一実施形態にかかる光波形整形素子による効果を説明するための図であって、比較例の素子の入出力特性を示す図である。
【図９】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の一実施形態にかかる光波形整形素子による効果を説明するための図であって、比較例の素子の光導波方向におけるパワーの変化を示す図である。
【図１０】光波形整形素子を用いた波形整形技術を説明するための図である。
【図１１】（Ａ）〜（Ｄ）は、従来の波形整形技術を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４６】
１ ｎ型ＩｎＰ基板（半導体基板）
２ ｎ型ＩｎＰクラッド層
３ 活性層
３Ａ ＩｎＡｓ量子ドット
３Ｂ ＩｎＧａＡｓＰバリア層
３Ｃ 量子ドット層
３Ｄ 多重積層量子ドット
３Ｘ 多重積層量子ドット層
３Ｙ，３Ｚ ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層
４ ｐ型ＩｎＰ層
５ ｎ型ＩｎＰ層
６ ｐ型ＩｎＰクラッド層
７ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
８ ｐ側電極
９ ｎ側電極
１０ 半導体光導波路
１１ 反射防止膜
Ａ1〜Ａn 光増幅領域（可飽和利得領域）
Ｂ1〜Ｂn 光吸収領域（可飽和吸収領域）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光波形整形素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
将来の大容量フォトニックネットワークの実現に向けて、図１０に示すように、光ファイバの分散や中継増幅器によるノイズなどによって劣化した波形を光のまま再生する技術が求められており、盛んに研究されている。
このような技術は、通常、２Ｒ（Reamplification and Reshaping）、或いは、これにリタイミングを加えて３Ｒ（Reamplification, Reshaping, and Retiming）と呼ばれている。
【０００３】
従来、光半導体素子によって波形整形する技術として、例えば図１１（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、半導体光増幅器（ＳＯＡ；Semiconductor Optical Amplification）と光導波路とをモノリシックに集積し、マッハツェンダ（ＭＺ：Mach-Zehnder）干渉計［図１１（Ａ）参照］、対称マッハツェンダ（ＳＭＺ：Symmetric Mach-Zehnder）干渉計［図１１（Ｂ）参照］、遅延干渉計［図１１（Ｃ）参照］を構成したものを用いることが提案されている。このような素子を用いて４０〜８０Ｇｂ／ｓの信号を再生した例が報告されている（非特許文献１、２参照）。
【０００４】
また、単体素子を用いたものとしては、例えば図１１（Ｄ）に示すように、ＳＯＡの利得飽和を用いて、１（ＯＮ）レベル雑音を抑制する利得飽和方式も提案されている。
さらに、バルクや量子井戸活性層を持つＳＯＡでは利得応答速度が遅く、ビットレートが大幅に制限されてしまうため、活性層に利得応答速度の速い量子ドットを用い、可飽和吸収体を集積することによって、４０Ｇｂ／ｓ信号の０（ＯＦＦ）及び１（ＯＮ）レベルの雑音の圧縮が可能となることが示唆されている（非特許文献３参照）。
【０００５】
さらに、一段の増幅部と可飽和吸収部では十分な非線形性が得られないため、増幅部と可飽和吸収部を多段に配置した光非線形増幅素子が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−７５２１２号公報
【非特許文献１】D. Wolfson et al, "40-Gb/s All-Optical Wavelength Conversion, Regeneration, and Demultiplexing in an SOA-Based All-Active Mach-Zehnder Interferometer", IEEE Photon. Technol. Lett. 12, no. 3, pp. 332-334 (2000)
【非特許文献２】Y. Ueno et al, " Penalty-Free Error-Free All-Optical Data Pulse Regeneration at 84 Gb/s by Using a Symmetric-Mach-Zehnder-Type Semiconductor Regenerator", IEEE Photon. Technol. Lett. 13, no. 5, pp. 469-471 (2001)
【非特許文献３】秋山知之他、「量子ドット半導体光増幅器による４０Ｇｂ／ｓ信号再生」、２００５年春季応用物理学会学術講演会予稿集
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の図１１（Ａ）〜（Ｃ）に示すような干渉計を用いる方式では、入出力信号の波長が異なってしまうため、波長管理が必要になるほか、構成が複雑になるため、コストの上昇につながるという課題がある。
また、上述の図１１（Ｄ）に示すようなＳＯＡの利得飽和を用いる方式では、入出力信号の波長は同一であるが、０（ＯＦＦ）レベル雑音を抑制することができないという課題がある。
【０００７】
さらに、特許文献１で提案されている素子は、光の入射側から、順方向に電流が流れて利得を生じる増幅部、逆バイアスを印加して光を吸収する可飽和吸収部を交互に配置し、最終段の光増幅部の長さを他の光増幅部の長さよりも長くして増幅飽和を起こすような構造になっている（図７参照）。このような素子構造では、しきい値となる入力パワーが非常に大きくなってしまうため、光強度が低下している信号に対して増幅及び波形整形を行なう２Ｒ，３Ｒ動作には不利である。また、最終段が光増幅部になっているため、自然放出光（ＡＳＥ光）が重畳されてしまい、Ｓ／Ｎの改善に不利である。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、しきい値となる入力パワー（動作入力パワー）を低くしながら、Ｓ／Ｎを改善することで、劣化した信号（強度が低下したり、波形が乱れたりしている信号等）の増幅、及び、光信号の雑音を抑制して波形を整形する波形整形を同時に実現できるようにした、光波形整形素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このため、本発明の光波形整形素子は、活性層を有する半導体光導波路を備え、活性層を有する半導体光導波路を備え、光増幅領域と光吸収領域とが半導体光導波路に沿って交互に設けられており、一の光増幅領域の長さが、入力光信号のパワーがオンレベルの時に所望の増幅率が得られるように他の光増幅領域よりも長くなっており、オンレベル時に、一の光増幅領域以外の各光増幅領域及び各光吸収領域によってパワーレベルが維持されるようになっており、入力光信号のパワーがオフレベルの時に、出力光信号のパワーレベルが入力光信号のパワーレベル以下になるように、各光吸収領域によって吸収されるようになっていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
したがって、本発明の光波形整形素子によれば、しきい値となる入力パワー（動作入力パワー）を低くしながら、Ｓ／Ｎを改善することができ、劣化した信号（強度が低下したり、波形が乱れたりしている信号等）の増幅、及び、光信号の雑音を抑制して波形を整形する波形整形を同時に実現することができるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる光波形整形素子について、図１〜図９を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる光波形整形素子は、図１に示すように、活性層３を有する半導体光導波路１０を備え、光増幅領域（利得領域）Ａ1〜Ａnと光吸収領域Ｂ1〜Ｂnとが半導体光導波路１０が延びる方向に沿って（光導波方向に沿って）交互に設けられている。
【００１２】
つまり、本光波形整形素子は、図１に示すように、一の導電型（ここではｎ型）の半導体基板１上に形成された半導体光導波路１０上に、活性層３に順バイアスで電流を注入する領域（光増幅領域）Ａ1〜Ａnと活性層３に逆バイアス電圧を印加する領域（光吸収領域）Ｂ1〜Ｂnとが交互に形成されるように、他の導電型（ここではｐ型）のコンタクト層７及び電極８が分割されて形成された導波路型能動光半導体素子として構成される。
【００１３】
ここでは、光増幅領域Ａ1〜Ａn及び光吸収領域Ｂ1〜Ｂnは、同一の活性層３を有する半導体光導波路１０によって構成される。また、活性層３は量子ドット活性層としている。これにより、４０Ｇｂ／ｓ以上の高ビットレートの信号再生を実現しうる。
また、図１に示すように、本光波形整形素子の入射端面及び出射端面（即ち、半導体光導波路１０の入射端面及び出射端面）の両端面には無反射コーティングが施されて、反射防止膜（無反射構造）１１が形成されている。
【００１４】
さらに、図４に示すように、半導体光導波路１０は、反射防止のために、出射端面に対して傾斜している斜め導波路として構成されている。つまり、半導体光導波路１０を構成する活性層３が、出射端面に対して傾斜するように斜めに形成されている。
特に、本実施形態では、図１に示すように、半導体光導波路１０の最入射端側の領域が光増幅領域Ａ1になっており、最出射端側の領域が光吸収領域Ｂnになっている。つまり、半導体光導波路１０の光導波方向に沿って、光増幅領域で始まり、光吸収領域で終わるような構造になっている。
【００１５】
また、本実施形態では、図１に示すように、最入射端側の光増幅領域（光入射直後の光増幅領域）Ａ1の長さは、入力光信号のパワーがオンレベル（１レベル）の時に所望の増幅率が得られるように、他の光増幅領域Ａ2〜Ａnよりも長くなっている。
ここでは、最入射端側の光増幅領域（光入射直後の光増幅領域）Ａ1は、オンレベル時に入力信号光のパワーレベルを利得飽和が起こるパワーレベルまで増幅しうる長さに設定されている。このように、最入射端側の光増幅領域（光入射直後の光増幅領域）Ａ1の長さを長くすることで、光増幅領域Ａ1において利得飽和が起こるようにし、これにより、１レベル雑音（オンレベル雑音）を抑制し、Ｓ／Ｎを改善するようにしている。
【００１６】
そして、オンレベル時に、最入射端側の光増幅領域Ａ1によって高められたパワーレベルが、その後の各光増幅領域Ａ2〜Ａn及び各光吸収領域Ｂ1〜Ｂnによって同一のレベル又はその上下近傍のレベルに維持されるようになっている。
さらに、本実施形態では、入力光信号のパワーがオフレベル（０レベル）の時に、出力光信号のパワーレベルが入力光信号のパワーレベル以下になるように、各光吸収領域Ｂ1〜Ｂnによって吸収されるようになっている。これにより、０レベル雑音を抑制できるようにしている。特に、最出射端側を光吸収領域とすることで、素子長を短くしながら、０レベル雑音を抑制できるようにしている。
【００１７】
以下、本光波形整形素子について、より具体的に説明する。
本光波形整形素子は、図２に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層２を介して活性層３を含むメサ構造が形成されており、電流狭窄及び光の閉じ込めのために、このメサ構造がｐ型ＩｎＰ層４とｎ型ＩｎＰ層５とをｐｎ接合してなる埋込層によって埋め込まれた構造になっている。
【００１８】
また、ｎ型ＩｎＰ埋込層５上にはｐ型ＩｎＰクラッド層６が形成されており、このｐ型ＩｎＰクラッド層６上にｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７が積層されている。
そして、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７上にｐ側電極（電極金属）８が形成されている。一方、ｎ側電極（電極金属）９はｎ型ＩｎＰ基板１の裏面に形成されている。
ここでは、活性層３は、図３の活性層部分を拡大した断面図に示すように、多重積層量子ドット層３Ｘの上下をＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層３Ｙ，３Ｚで挟み込んだ構造になっている。
【００１９】
ここで、多重積層量子ドット層３Ｘは、図３に示すように、ＩｎＡｓ量子ドット３ＡをＩｎＧａＡｓＰバリア層３Ｂで埋め込んだ量子ドット層３Ｃを、各量子ドット層３Ｃの量子ドット３Ａが接合されるように、複数層（ここでは２２層）積層させた構造になっている。つまり、多重積層量子ドット層３Ｘは、図３に示すように、量子ドット３Ａが複数積層されてなる多重積層量子ドット３ＤをＩｎＧａＡｓＰバリア層３Ｂで埋め込んだ構造になっている。
【００２０】
特に、本光波形整形素子は、図１に示すように、１つの素子上に光増幅領域Ａ1〜Ａnと光吸収領域Ｂ1〜Ｂnとを形成するために、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７及びｐ側電極８は光導波方向に沿って複数の領域に分割されている。
ここでは、エッチングによってｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７の一部を取り除いて、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７を光導波方向に沿って複数の領域に分割し、これらの分割された各領域の上に独立にｐ側電極８を形成するようにしている。
【００２１】
したがって、本実施形態にかかる光波形整形素子によれば、単体素子で、しきい値となる入力パワー（動作入力パワー）を低くしながら、Ｓ／Ｎを改善することができ、劣化した信号（強度が低下したり、波形が乱れたりしている信号等）の増幅、及び、光信号の雑音を抑制して波形を整形する波形整形を同時に実現することができるという利点がある。
ここで、図５（Ａ），（Ｂ）は、上述のように構成される本光波形整形素子において、最入射端側の光増幅領域Ａ1の長さを７４０μｍとし、これ以外の光増幅領域Ａ2〜Ａ4及び光吸収領域Ｂ1〜Ｂ3の長さを各々１８０μｍとし、最入射端側の光増幅領域Ａ1の後に、１つの光吸収領域と１つの光増幅領域とを１組としてこれを３回繰り返し（３つの光吸収領域Ｂ1〜Ｂ3，３つの光増幅領域Ａ2〜Ａ4）、最後に光吸収領域Ｂ4で終端するようにした場合の光導波方向におけるパワーの変化を示している。
【００２２】
ここでは、入力パワーが０ｄＢｍ［これを１レベル（オンレベル）とする］の時に、光増幅領域Ａ1によって高められたパワーレベルがその後の光増幅領域Ａ2〜Ａ4及び光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4で一定のレベルに保たれるように、光増幅領域（利得領域）Ａ2〜Ａ4における利得と光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4における吸収量を調整している［図５（Ａ）参照］。つまり、光増幅領域Ａ2〜Ａ4における光増幅率と、光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4における光吸収率とが等しくなるようにしている。
【００２３】
本実施形態では、最入射端側の光増幅領域Ａ1を、オンレベル（１レベル）時に入力信号光のパワーレベルを利得飽和が起こるパワーレベルまで増幅しうる長さに設定することで、オンレベル（１レベル）時に、光増幅領域Ａ2〜Ａ4及び光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4に入力される光信号のパワーレベルが高くなるようにして、光増幅領域Ａ2〜Ａ4において利得特性の飽和領域を用いて増幅され、光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4において吸収特性の飽和領域を用いて吸収されるようにしている。このように、光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4において吸収飽和が起こるようにして、光がよく透過するようにしながら、光増幅領域Ａ2〜Ａ4において利得飽和が起こるようにして、１レベル雑音（オンレベル雑音）を抑制し、Ｓ／Ｎを改善するようにしている。
【００２４】
この条件下で、入力パワーを−１０ｄＢｍ［これを０レベル（オフレベル）とする］にすると、パワーレベルが低いため、光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4における吸収量がオンレベル時（１レベル時）よりも多くなり、光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4においてパワーレベルが大きく下がるのに対し、光増幅領域Ａ2〜Ａ4の長さが短いため、光増幅領域Ａ2〜Ａ4において十分な利得が得られず、パワーレベルがあまり上がらないため、パワーレベルは徐々に下がっていく。この結果、図５（Ｂ）中、符号Ｘで示すように、出力パワーのレベルが入力パワーのレベル以下になり、０レベル雑音を抑制できることがわかる。
【００２５】
このように、オンレベル時に、最入射端側の光増幅領域Ａ1以外の各光増幅領域Ａ2〜Ａ4における光増幅率と各光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4における光吸収率とが等しくなり、オフレベル時に、各光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4における光吸収率が最入射端側の光増幅領域Ａ1以外の各光増幅領域Ａ2〜Ａ4における光増幅率よりも大きくなるように構成している。
また、上述のように、半導体光導波路１０に入射される光信号（伝送信号）がオフレベル（０レベル）の場合、パワーレベルが低いため、光増幅領域Ａ1〜Ａ4では利得特性の線形領域（線形利得）を用いて増幅が行なわれ、光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4では吸収特性の線形領域（線形吸収）を用いて吸収が行なわれるのに対し、オンレベル（１レベル）の場合、パワーレベルが高いため、光増幅領域Ａ1〜Ａ4では利得特性の飽和領域（利得飽和）を用いて増幅が行なわれ、光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4では吸収特性の飽和領域（吸収飽和）を用いて吸収が行なわれる。このため、光増幅領域Ａ1〜Ａ4は、利得特性が飽和領域を有する可飽和利得領域であり、光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4は、吸収特性が飽和領域を有する可飽和吸収領域である。
【００２６】
特に、０レベル時（入力パワーを−１０ｄＢｍにした時）の本光波形整形素子の終端部分におけるパワーに着目すると、最終段が光吸収領域になっている構造の方が、最終段が利得領域になっている構造よりも、短い素子長で０レベル雑音を抑制できるという点で有利であることがわかる。また、上述のＳＯＡ単体を用いる方式［図１１（Ｄ）参照］と比較して、０レベル雑音を抑制できる点で有利である。
【００２７】
ここで、図６（Ａ），（Ｂ）は、本光波形整形素子における入出力特性（伝達関数）を計算した結果を示している。
図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、本光波形整形素子によれば、しきい値となる入力パワーを低くしながら、２Ｒ動作に必須であるステップ状の入出力特性（入出力パワー特性、入力パワー／利得特性）を実現できることがわかる。このように１つの能動素子で２Ｒ動作が実現できるため、上述の干渉計を用いる方式［図１１（Ａ）〜（Ｃ）参照］と比較して、構成の単純化、低コスト化を図ることが可能となる。
【００２８】
ここで、図７は、比較例として、最入射端側（最入力端側）の領域及び最出射端側（最出力端側）の領域を共に光増幅領域（利得領域）とし、最出射端側の光増幅領域の長さを他の光増幅領域の長さよりも長くした構造のものを示している。つまり、本光波長整形素子に対して、最入射端側の光増幅領域Ａ1の長さを他の光増幅領域の長さと同一にし、さらに出射端側に他の光増幅領域Ａ1〜Ａnの長さよりも長い光増幅領域Ａn+1を加えたものを、比較例の光波長整形素子の構造として示している。なお、上述の特許文献１に記載されている素子は、最出射端側の光増幅領域の長さが他の光増幅領域の長さよりも長いという点で、この比較例のものと同様の構造を有する。
【００２９】
なお、ここでは、光増幅領域及び光吸収領域の長さは、上述の実施形態のものに合わせて、最出射端側の光増幅領域Ａ5の長さを７４０μｍとし、これ以外の光増幅領域Ａ1〜Ａ4及び光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4の長さを各々１８０μｍとし、最入射端側から、１つの光増幅領域と１つの光吸収領域とを１組としてこれを４回繰り返し（４つの光増幅領域Ａ1〜Ａ4，４つの光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4）、最後に光増幅領域Ａ5で終端するようにしている［図８（Ａ），（Ｂ）参照］。
【００３０】
また、図８（Ａ），（Ｂ）は、このように構成される比較例の素子の光導波方向におけるパワーの変化を示しており、図９（Ａ），（Ｂ）は、比較例の素子における入出力特性（入出力パワー特性、入力パワー／利得特性）を計算した結果を示している。
まず、図８（Ａ），（Ｂ）に示すように、１レベル（オンレベル）の場合と０レベル（オフレベル）の場合とで入出力特性が同様の特性になっているため、出力パワーのレベル差（出力光の強度差）が上述の本光波形整形素子よりも小さく、Ｓ／Ｎ（ＳＮ比）の改善効果が小さいことがわかる。また、比較例のように、最終段を光増幅領域とすると、自然放出光（ＡＳＥ）が重畳されてしまうため、Ｓ／Ｎ（ＳＮ比）を改善するには不利である。
【００３１】
また、図９（Ａ），（Ｂ）に示すように、上述の本光波形整形素子と同様にステップ状の特性が得られているものの、上述の本光波形整形素子（図６参照）に対して、しきい値となる入力パワー（動作入力パワー）が非常に大きくなってしまうため（即ち、入力パワーのレベルが非常に高くないと動作しなくないため）、強度が落ちている信号の増幅や波形整形を行なう２Ｒ動作あるいは３Ｒ動作には不利であることがわかる。
【００３２】
なお、上述の実施形態では、最入射端側の光増幅領域Ａ1において、オンレベル（１レベル）時に入力信号光のパワーレベルを利得飽和が起こるパワーレベルまで増幅し、その後の光増幅領域Ａ2〜Ａ4において利得特性の飽和領域（利得飽和）を用いて増幅が行なわれ、光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4において吸収特性の飽和領域（吸収飽和）を用いて吸収が行なわれるようにしているが、これに限られるものではなく、例えば、オンレベル時に、少なくともいずれかの光増幅領域において利得特性の飽和領域を用いて増幅されるように、最入射端側の光増幅領域Ａ1によって光信号が増幅されるようにすれば良い。つまり、最入射端側の光増幅領域Ａ1において入力信号光のパワーレベルを利得飽和が起こらないパワーレベルまで増幅し［即ち、利得特性の線形領域（線形利得）を用いてパワーレベルを増幅し］、その後のいずれかの光増幅領域において利得特性の飽和領域を用いて増幅されるようにすれば良い。これにより、１レベル雑音を抑制することができ、動作入力パワーを低くしながら、Ｓ／Ｎを改善することができる。
【００３３】
また、オンレベル時に他の光増幅領域よりも長い光増幅領域によって所望の増幅率が得られ、他の光増幅領域及び光吸収領域によってパワーレベルが維持されるようになっていれば良く、利得飽和を用いて増幅が行なわれるようにしたり、吸収飽和を用いて吸収が行なわれるようにしたりする必要はない。例えば、オンレベル時に、光増幅領域において利得特性の線形領域（線形利得）を用いて増幅が行なわれ、光吸収領域において吸収特性の線形領域（線形吸収）を用いて吸収が行なわれるようにしても良い。
【００３４】
さらに、オンレベル時に所望の増幅率が得られるように他の光増幅領域よりも長くなっている光増幅領域は、最入射端側に設けずに、任意の位置に設けることができる。
また、上述の実施形態では、同一材料・組成・構造の活性層を用い、光増幅領域Ａ2〜Ａ4の長さと光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4の長さを同一にし、順バイアス電流の注入量や逆バイアス電圧の印加量を調整することで、各光増幅領域Ａ2〜Ａ4における光増幅率と各光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4における光吸収率とが等しくなるようにしてパワーレベルが一定になるようにしているが、これに限られるものではなく、各光増幅領域Ａ2〜Ａ4における光増幅率と各光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4における光吸収率との関係は、活性層の材料・組成・構造や光増幅領域及び光吸収領域の長さの設計、順バイアス電流の注入量や逆バイアス電圧の印加量の調整などによって任意に決定することができる。少なくとも、オンレベル時に各光増幅領域Ａ2〜Ａ4及び各光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4よってパワーレベルが維持されるようになっていれば良く、例えば、オンレベル時に、各光増幅領域Ａ2〜Ａ4における光増幅率が各光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4における光吸収率よりも大きくなるようにしてパワーレベルが徐々に大きくなっていくようにしても良いし、逆に、各光増幅領域Ａ2〜Ａ4における光増幅率が各光吸収領域Ｂ1〜Ｂ4における光吸収率よりも小さくなるようにしてパワーレベルが徐々に小さくなっていくようにしても良い。
【００３５】
また、上述の実施形態では、活性層に量子ドットを用いているが、これに限られるものではなく、活性層としてバルク活性層や量子井戸活性層を用いても上述の実施形態と同様の効果が得られる。例えば信号のビットレートが低い場合や利得飽和の浅い領域あるいは利得が線形の領域を用いる場合などはバルク活性層や量子井戸活性層を用いることもできる。
【００３６】
また、上述の実施形態では、ＩｎＰ系材料を用いた導波路埋込構造デバイスを例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、例えばＧａＡｓ系材料を用いても本発明にかかる光波形整形素子を実現することができる。
さらに、上述の実施形態では、埋込構造としてｐｎ埋込構造を用いているが、これに限られるものではなく、例えば半絶縁性埋込構造を用いても良い。また、上述の実施形態では、導波路埋込構造を用いているが、これに限られるものではなく、例えば導波路構造をリッジ構造にしても良い。
【００３７】
また、上述の実施形態では、コンタクト層の一部をエッチングして分割し、分割されたコンタクト層上に電極を形成するようにして、光増幅領域と光吸収領域とが分離されたものとして形成されるようにしているが、電極分離方法（電極分離構造）はこれに限られるものではない。例えばプロトン注入（イオン注入）によってコンタクト層の一部を高抵抗化して電極分離を行なうようにしても良い。
【００３８】
また、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。
（付記１）
活性層を有する半導体光導波路を備え、
光増幅領域と光吸収領域とが前記半導体光導波路に沿って交互に設けられており、
一の光増幅領域の長さが、入力光信号のパワーがオンレベルの時に所望の増幅率が得られるように他の光増幅領域よりも長くなっており、
前記半導体光導波路の最出射端側の領域が光吸収領域であり、
前記オンレベル時に、前記一の光増幅領域以外の各光増幅領域及び各光吸収領域によってパワーレベルが維持されるようになっており、
入力光信号のパワーがオフレベルの時に、出力光信号のパワーレベルが入力光信号のパワーレベル以下になるように、前記各光吸収領域によって吸収されるようになっていることを特徴とする光波形整形素子。
【００３９】
（付記２）
前記オンレベル時に、少なくともいずれかの光増幅領域において利得特性の飽和領域を用いて増幅されるように、前記一の光増幅領域によって増幅されるようになっていることを特徴とする、付記１記載の光波形整形素子。
（付記３）
前記オンレベル時に、前記一の光増幅領域以外の各光増幅領域における光増幅率と前記各光吸収領域における光吸収率とが等しくなり、前記オフレベル時に、前記各光吸収領域における光吸収率が前記一の光増幅領域以外の各光増幅領域における光増幅率よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする、付記１又は２記載の光波形整形素子。
【００４０】
（付記４）
前記一の光増幅領域が、前記半導体光導波路の最入射端側に設けられていることを特徴とする、付記１〜３のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
（付記５）
前記一の光増幅領域が、前記オンレベル時に入力信号光のパワーレベルを利得飽和が起こるパワーレベルまで増幅しうる長さに設定されていることを特徴とする、付記４記載の光波形整形素子。
【００４１】
（付記６）
前記一の光増幅領域が、利得特性が飽和領域を有する可飽和利得領域であることを特徴とする、付記４又は５記載の光波形整形素子。
（付記７）
前記一の光増幅領域以外の各光増幅領域が、利得特性が飽和領域を有する可飽和利得領域であり、
前記各光吸収領域が、吸収特性が飽和領域を有する可飽和吸収領域であることを特徴とする、付記６記載の光波形整形素子。
【００４２】
（付記８）
前記半導体光導波路の最出射端側の領域が光吸収領域であることを特徴とする、付記１〜７のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
（付記９）
前記光増幅領域及び前記光吸収領域は、同一の活性層を有する半導体光導波路によって構成され、
前記各光増幅領域は、前記活性層に順バイアス電流が注入されるようになっており、
前記光吸収領域は、前記活性層に逆バイアス電圧が印加されるようになっており、
前記オンレベル時に、前記一の光増幅領域以外の各光増幅領域における光増幅率と前記各光吸収領域における光吸収率とが等しくなるように、前記一の光増幅領域以外の各光増幅領域の前記活性層に順バイアス電流が注入され、かつ、前記各光吸収領域の前記活性層に逆バイアス電圧が印加されるようになっていることを特徴とする、付記１〜８のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【００４３】
（付記１０）
前記活性層が、量子ドット活性層であることを特徴とする、付記１〜９のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
（付記１１）
前記半導体光導波路の入射端面及び出射端面に無反射コーティングが施されていることを特徴とする、付記１〜１０のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【００４４】
（付記１２）
前記半導体光導波路が、前記出射端面に対して傾斜している斜め導波路として構成されていることを特徴とする、付記１〜１１のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施形態にかかる光波形整形素子の構成を示す模式的断面図（図２のＡ−Ａ′に沿う断面図）である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる光波形整形素子の構成を示す模式的断面図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる光波形整形素子を構成する活性層を示す模式的断面図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかる光波形整形素子の構成を示す模式的断面図（図２のＢ−Ｂ′に沿う断面図）である。
【図５】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の一実施形態にかかる光波形整形素子の光導波方向におけるパワーの変化を示す図である。
【図６】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の一実施形態にかかる光波形整形素子の入出力特性を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態にかかる光波形整形素子に対する比較例の素子の構成を示す模式的断面図である。
【図８】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の一実施形態にかかる光波形整形素子による効果を説明するための図であって、比較例の素子の入出力特性を示す図である。
【図９】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の一実施形態にかかる光波形整形素子による効果を説明するための図であって、比較例の素子の光導波方向におけるパワーの変化を示す図である。
【図１０】光波形整形素子を用いた波形整形技術を説明するための図である。
【図１１】（Ａ）〜（Ｄ）は、従来の波形整形技術を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４６】
１ ｎ型ＩｎＰ基板（半導体基板）
２ ｎ型ＩｎＰクラッド層
３ 活性層
３Ａ ＩｎＡｓ量子ドット
３Ｂ ＩｎＧａＡｓＰバリア層
３Ｃ 量子ドット層
３Ｄ 多重積層量子ドット
３Ｘ 多重積層量子ドット層
３Ｙ，３Ｚ ＩｎＧａＡｓＰ−ＳＣＨ層
４ ｐ型ＩｎＰ層
５ ｎ型ＩｎＰ層
６ ｐ型ＩｎＰクラッド層
７ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
８ ｐ側電極
９ ｎ側電極
１０ 半導体光導波路
１１ 反射防止膜
Ａ1〜Ａn 光増幅領域（可飽和利得領域）
Ｂ1〜Ｂn 光吸収領域（可飽和吸収領域）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層を有する半導体光導波路を備え、
光増幅領域と光吸収領域とが前記半導体光導波路に沿って交互に設けられており、
一の光増幅領域の長さが、入力光信号のパワーがオンレベルの時に所望の増幅率が得られるように他の光増幅領域よりも長くなっており、
前記オンレベル時に、前記一の光増幅領域以外の各光増幅領域及び各光吸収領域によってパワーレベルが維持されるようになっており、
入力光信号のパワーがオフレベルの時に、出力光信号のパワーレベルが入力光信号のパワーレベル以下になるように、前記各光吸収領域によって吸収されるようになっていることを特徴とする光波形整形素子。
【請求項２】
前記オンレベル時に、少なくともいずれかの光増幅領域において利得特性の飽和領域を用いて増幅されるように、前記一の光増幅領域によって増幅されるようになっていることを特徴とする、請求項１記載の光波形整形素子。
【請求項３】
前記オンレベル時に、前記一の光増幅領域以外の各光増幅領域における光増幅率と前記各光吸収領域における光吸収率とが等しくなり、前記オフレベル時に、前記各光吸収領域における光吸収率が前記一の光増幅領域以外の各光増幅領域における光増幅率よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする、請求項１又は２記載の光波形整形素子。
【請求項４】
前記一の光増幅領域が、前記半導体光導波路の最入射端側に設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【請求項５】
前記一の光増幅領域が、前記オンレベル時に入力信号光のパワーレベルを利得飽和が起こるパワーレベルまで増幅しうる長さに設定されていることを特徴とする、請求項４記載の光波形整形素子。
【請求項６】
前記半導体光導波路の最出射端側の領域が光吸収領域であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【請求項７】
前記光増幅領域及び前記光吸収領域は、同一の活性層を有する半導体光導波路によって構成され、
前記各光増幅領域は、前記活性層に順バイアス電流が注入されるようになっており、
前記光吸収領域は、前記活性層に逆バイアス電圧が印加されるようになっており、
前記オンレベル時に、前記一の光増幅領域以外の各光増幅領域における光増幅率と前記各光吸収領域における光吸収率とが等しくなるように、前記一の光増幅領域以外の各光増幅領域の前記活性層に順バイアス電流が注入され、かつ、前記各光吸収領域の前記活性層に逆バイアス電圧が印加されるようになっていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【請求項８】
前記活性層が、量子ドット活性層であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【請求項９】
前記半導体光導波路の入射端面及び出射端面に無反射コーティングが施されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【請求項１０】
前記半導体光導波路が、前記出射端面に対して傾斜している斜め導波路として構成されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【請求項１】
活性層を有する半導体光導波路を備え、
光増幅領域と光吸収領域とが前記半導体光導波路に沿って交互に設けられており、
一の光増幅領域の長さが、入力光信号のパワーがオンレベルの時に所望の増幅率が得られるように他の光増幅領域よりも長くなっており、
前記オンレベル時に、前記一の光増幅領域以外の各光増幅領域及び各光吸収領域によってパワーレベルが維持されるようになっており、
入力光信号のパワーがオフレベルの時に、出力光信号のパワーレベルが入力光信号のパワーレベル以下になるように、前記各光吸収領域によって吸収されるようになっていることを特徴とする光波形整形素子。
【請求項２】
前記オンレベル時に、少なくともいずれかの光増幅領域において利得特性の飽和領域を用いて増幅されるように、前記一の光増幅領域によって増幅されるようになっていることを特徴とする、請求項１記載の光波形整形素子。
【請求項３】
前記オンレベル時に、前記一の光増幅領域以外の各光増幅領域における光増幅率と前記各光吸収領域における光吸収率とが等しくなり、前記オフレベル時に、前記各光吸収領域における光吸収率が前記一の光増幅領域以外の各光増幅領域における光増幅率よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする、請求項１又は２記載の光波形整形素子。
【請求項４】
前記一の光増幅領域が、前記半導体光導波路の最入射端側に設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【請求項５】
前記一の光増幅領域が、前記オンレベル時に入力信号光のパワーレベルを利得飽和が起こるパワーレベルまで増幅しうる長さに設定されていることを特徴とする、請求項４記載の光波形整形素子。
【請求項６】
前記半導体光導波路の最出射端側の領域が光吸収領域であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【請求項７】
前記光増幅領域及び前記光吸収領域は、同一の活性層を有する半導体光導波路によって構成され、
前記各光増幅領域は、前記活性層に順バイアス電流が注入されるようになっており、
前記光吸収領域は、前記活性層に逆バイアス電圧が印加されるようになっており、
前記オンレベル時に、前記一の光増幅領域以外の各光増幅領域における光増幅率と前記各光吸収領域における光吸収率とが等しくなるように、前記一の光増幅領域以外の各光増幅領域の前記活性層に順バイアス電流が注入され、かつ、前記各光吸収領域の前記活性層に逆バイアス電圧が印加されるようになっていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【請求項８】
前記活性層が、量子ドット活性層であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【請求項９】
前記半導体光導波路の入射端面及び出射端面に無反射コーティングが施されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【請求項１０】
前記半導体光導波路が、前記出射端面に対して傾斜している斜め導波路として構成されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の光波形整形素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００８−２０５２０４（Ｐ２００８−２０５２０４Ａ）
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３９８０６（Ｐ２００７−３９８０６）
【出願日】平成１９年２月２０日（２００７．２．２０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度、総務省、「ナノ技術を活用した超高機能ネットワーク技術の研究開発」委託研究、産業再生法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月２０日（２００７．２．２０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１８年度、総務省、「ナノ技術を活用した超高機能ネットワーク技術の研究開発」委託研究、産業再生法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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