半導体光増幅装置及び光モジュール
【課題】ＡＳＥ光の強度を高め低消費電力で信号光を増幅する。
【解決手段】半導体基板と、前記半導体基板上に形成された活性層を有する光導波路と、前記光導波路に信号光を入射させる端面に形成され、前記信号光を透過し、前記信号光以外の波長の光を反射する波長選択反射膜と、を有することを特徴とする半導体光増幅装置により上記課題を解決する。
【解決手段】半導体基板と、前記半導体基板上に形成された活性層を有する光導波路と、前記光導波路に信号光を入射させる端面に形成され、前記信号光を透過し、前記信号光以外の波長の光を反射する波長選択反射膜と、を有することを特徴とする半導体光増幅装置により上記課題を解決する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光増幅装置及び光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の通信需要の飛躍的な増大に伴い、フォトニックネットワークの適用範囲が広がるとともに、ネットワークの大容量化・高機能化が進んでいる。半導体光増幅装置である半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）は、現在用いられている光ファイバー増幅器モジュールと比較して非常にシンプルな構成の光増幅器である。このため、小型化で低消費電力な光増幅器として、ネットワークへの適用が検討されている。また、半導体光増幅器は光利得において高い非線形性を有しており、光信号再生や光波長変換等の各種信号処理に用いる能動素子としても有望である。このような半導体光増幅器として、信号光が入射する面と出射する面の双方に反射防止膜を形成した構造の半導体光増幅器が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
半導体光増幅器をフォトニックネットワークにおける光増幅器や光信号処理素子として使用する際には、高速な利得応答性が望まれる。しかし、半導体光増幅器は、半導体光増幅器からの光出力の増加にともない光利得が減少する利得飽和現象を有しており、この利得飽和現象は一般に＋０〜＋１０ｄＢｍ以上の光出力領域で顕著に発生する。例えば、１０Ｇｂｐｓ以上の変調レートを有する強度変調信号光を半導体光増幅器の利得が飽和領域に達するまで増幅した場合、利得飽和現象によるパターン効果が発生し、出力される信号光の波形が著しく劣化し、通信品質が低下してしまう。このパターン効果による信号光の波形劣化は、信号光の変調速度と半導体光増幅器内の利得変動速度が同程度であることにより生じる現象である。
【０００４】
ところで、半導体光増幅器内の利得変動速度は、半導体光増幅器の活性層内で光利得に寄与するキャリア（電子、正孔）の寿命によって決まることが知られている。一般的に活性層におけるキャリア寿命は、活性層材料や不純物のドーピング条件で定まるものであり、活性層材料の変更や半導体光増幅器の構造の最適化等により、大幅に高速化させることは困難である。このため半導体光増幅器の利得変動速度を高速化させるための方法として、外部光注入による方法やＡＳＥ光（Amplified Spontaneous Emission：増幅された自然放出光）自己飽和効果による方法が知られている（例えば、非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−６７２２２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】F. Girardin, G. Guekos and A. Houbavlis, “Gain Recovery of BulkSemiconductor Optical Amplifiers”, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 10,No. 6, JUNE 1998
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、外部光を注入する方法では、半導体光増幅器の外部に別光源を設ける必要があり、構造は複雑なものとなるため小型化には適さない。また、ＡＳＥ光自己飽和効果による方法では、外部光源等は不要ではあるが、半導体光増幅器の活性層を予め飽和させておくため、充分にＡＳＥ光強度を高くしておく必要がある。このため通常の半導体光増幅器よりも長く形成する必要があり、駆動の際の消費電力が増加してしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本実施の形態の一観点によれば、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された活性層を有する光導波路と、前記光導波路に信号光を入射させる端面に形成された、前記活性層より生じた自然放出光を反射し、前記信号光を透過する波長選択反射膜と、前記活性層より前記信号光が出射される端面に形成された、前記信号光及び前記自然放出光における反射を防止する反射防止膜と、を有する。
【０００９】
また、本実施の形態の別の観点によれば、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された活性層を有する光導波路と、前記光導波路に信号光を入射させる側の前記半導体基板及び光導波路により形成された、前記活性層より生じた自然放出光を反射し、前記信号光を透過する回折格子と、前記活性層より前記信号光を入射する端面及び出射される端面に形成された、前記信号光及び前記自然放出光における反射を防止する反射防止膜と、を有する。
【発明の効果】
【００１０】
開示の半導体光増幅装置及び光モジュールによれば、駆動の際の消費電力を低くすることができ、また、小型にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】関連技術の半導体光増幅装置の説明図
【図２】第１の実施の形態における半導体光増幅装置の説明図
【図３】光スペクトル及び波長選択反射膜の反射率の特性図
【図４】第１の実施の形態における半導体光増幅装置の構造図
【図５】第１の実施の形態における半導体光増幅装置の製造工程図
【図６】ＡＳＥ光のスペクトル及び波長選択反射膜の反射率の特性図
【図７】半導体光増幅装置のＡＳＥ光強度の説明図
【図８】ＡＳＥ光強度と利得変動時間との相関図
【図９】他の波長選択反射膜における反射率の特性図
【図１０】第１の実施の形態における他の半導体光増幅装置の説明図
【図１１】第２の実施の形態における半導体光増幅装置の構造図
【図１２】第２の実施の形態における半導体光増幅装置の製造工程図
【図１３】量子ドット活性層を拡大した構造図
【図１４】第３の実施の形態における半導体光増幅装置の構造図
【図１５】第４の実施の形態における光モジュールの構造図
【図１６】光モジュール内の光信号処理装置の構造図
【図１７】入力信号と出力信号の信号波形図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施するための形態について、以下に説明する。
【００１３】
〔第１の実施の形態〕
第１の実施の形態における半導体光増幅装置について説明する。
【００１４】
最初に、ＡＳＥ光の強度分布について検討した内容について説明する。図１は、関連技術の半導体光増幅装置の構造及びＡＳＥ光の強度分布を示すものである。
【００１５】
図１（ａ）に示す半導体光増幅装置は、半導体基板４０１上に光導波路となる活性層４０２を形成したものであり、活性層４０２は上下に設けられた不図示のクラッド層等により挟まれている。また、半導体光増幅装置の信号光の入射面と出射面には、各々の面における反射を防ぐため反射防止膜４０３及び４０４が形成されている。尚、半導体光増幅装置の信号光の進行方向における長さは９００μｍである。
【００１６】
図１（ｂ）に、この半導体光増幅装置の活性層の図面上横方向の位置と、ＡＳＥ光強度との関係を示す。ＡＳＥ光は活性層４０２の全域で均等に発生した自然放出光が光導波路を伝搬することにより光利得を受けて増幅されたものである。このＡＳＥ光は信号光と同方向に伝搬する光（ＡＳＥ＋）と、逆方向に伝搬する光（ＡＳＥ−）とを有し、ＡＳＥ＋とＡＳＥ−との強度の和が全ＡＳＥ光の強度となる。ＡＳＥ＋、ＡＳＥ−は、活性層４０２の端面近傍において強度が高くなるため、活性層４０２の両端において全ＡＳＥ光の強度が高くなる。図に示されるように、この際の全ＡＳＥ光の強度のピークの値は、約０．４ｍＷである。このような半導体光増幅装置において、ＡＳＥ光強度を高める方法としては、半導体光増幅装置を信号光の進行方向に長くする方法（図面上横方向に長くする方法）が有効であるが、この方法は、前述のとおり駆動電流が大きくなってしまい好ましくない。
【００１７】
次に、図２に基づき本実施の形態における半導体光増幅装置について説明する。図２（ａ）に示されるように、本実施の形態における半導体光増幅装置は、半導体基板１１上に光導波路となる活性層１２を形成し、活性層１２は上下に設けられた不図示のクラッド層等により挟まれている。半導体光増幅装置の信号光の入射面には波長選択反射膜１３が形成されており、信号光の出射面には反射防止膜１４が形成されている。尚、半導体光増幅装置の信号光の進行方向における長さは９００μｍである。
【００１８】
次に、図３に基づき本実施の形態の半導体光増幅装置における波長選択反射膜１３について説明する。図３は、波長選択反射膜１３における反射率特性と、ＡＳＥ光及び信号光の強度分布を示す。半導体光増幅装置の活性層１２において生じるＡＳＥ光のピーク波長に対し、信号光となるレーザ光の波長は長く、ＡＳＥ光の波長のピークと信号光の波長とは異なる波長である。また、波長選択反射膜１３は、ＡＳＥ光に対しては高い反射率を示し、信号光に対しては反射率が低く殆ど透過する特性を有している。
【００１９】
このような波長選択反射膜１３を設けることにより、本実施の形態における半導体光増幅装置は、信号光の入射面において、信号光の入射の際の光損失が殆ど生じることなく、信号光と逆方向に伝搬する光（ＡＳＥ−）を反射させることができる。
【００２０】
図２（ｂ）に、本実施の形態における半導体光増幅装置の活性層の信号光の進行方向の位置と、ＡＳＥ光強度との関係を示す。活性層１２においては、信号光と同方向に伝搬する光（ＡＳＥ＋）と逆方向に伝搬する光（ＡＳＥ−）とが発生する。このうちＡＳＥ−は、波長選択反射膜１３において反射され、信号光と同方向に伝搬する光（ＡＳＥ反射）となり、更に光導波路を伝搬することにより光利得を受けて増幅される。よって、ＡＳＥ＋、ＡＳＥ−及びＡＳＥ反射の強度の和である全ＡＳＥ光の強度は、信号光の出射側の活性層１２の端部において高くなる。図２（ｂ）に示されるように、この際の全ＡＳＥ光の強度のピークの値は約５０ｍＷである。このように半導体光増幅装置において、信号光の進行方向における長さを同じにした場合であっても、ＡＳＥ光の強度を高くすることは可能である。尚、本実施の形態の半導体光増幅装置における波長選択反射膜１３は、ＡＳＥ光を約８０％反射する特性を有するものである。
【００２１】
次に、図４に基づき本実施の形態における半導体光増幅装置２０について、より詳細に説明する。図４（ａ）は、信号光の進行方向に対し垂直な面における半導体光増幅装置の断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）における鎖線４Ａ−４Ｂにおいて切断した断面の断面図である。半導体光増幅装置２０は、ｎ-ＩｎＰ基板２１上に、ｎ-ＩｎＰクラッド層２２、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層２３、ＩｎＧａＡｓ活性層２４、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層２５、ｐ-ＩｎＰクラッド層２６、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２７が積層されている。更に、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２７上にはアノード電極２８が形成され、ｎ-ＩｎＰ基板２１のｎ-ＩｎＰクラッド層２２が形成されている面と反対側の面には、カソード電極２９が形成されている。尚、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層２３及びＩｎＧａＡｓＰ光閉込層２５となる光閉込層は、ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）層とも称する。
【００２２】
また、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層２３、ＩｎＧａＡｓ活性層２４、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層２５、ｐ-ＩｎＰクラッド層２６、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２７とｎ-ＩｎＰクラッド層２２の一部はメサ構造となっている。このメサ構造の側面にはｉ-ＩｎＰブロック層３０及び３１が設けられている。更に、信号光の入射面には波長選択反射膜１３が形成され、信号光の出射面には反射防止膜１４が形成されている。尚、ｎ-ＩｎＰ基板２１は図２における半導体基板１１に相当し、ＩｎＧａＡｓ活性層２４は、図２における活性層１２に相当する。
【００２３】
次に、図５に基づき本実施の形態における半導体光増幅装置の製造方法について説明する。図５（ａ）〜（ｄ）は、信号光の進行方向に対し垂直な面における半導体光増幅装置の断面図である。
【００２４】
最初に図５（ａ）に示すように、ｎ-ＩｎＰ基板２１上に、ｎ-ＩｎＰクラッド層２２（膜厚１００〜３０００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層２３（膜厚１０〜３００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓ活性層２４（膜厚１０〜５００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層２５（膜厚１０〜３００ｎｍ）、ｐ-ＩｎＰクラッド層２６（膜厚３００〜４０００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２７（膜厚１００〜１０００ｎｍ）を形成する。形成方法はＭＯＶＰＥ（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法等であり、エピタキシャル成長により順次積層形成する。
【００２５】
次に、図５（ｂ）に示すように、光導波路となる領域をメサ構造に加工する。具体的には、最初に、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２７上にマスクとなるＳｉＯ２（酸化シリコン）マスク４１を形成する。このＳｉＯ２マスク４１はＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２７上にＳｉＯ２膜を形成した後、フォトリソグラフィ法により形成したレジストパターンをマスクとして、レジストパターンが形成されていない領域のＳｉＯ２膜を除去することにより形成する。ＳｉＯ２膜の除去には、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等のエッチング方法が用いられ、この後、レジストパターンを除去する。次に、このＳｉＯ２マスク４１を用いて、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層２３、ＩｎＧａＡｓ活性層２４、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層２５、ｐ-ＩｎＰクラッド層２６、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２７及びｎ-ＩｎＰクラッド層２２の一部（残存膜厚０〜３０００ｎｍ）をメサ構造に加工する。メサ構造の加工は、ＳｉＯ２マスク４１をマスクとして用いたドライエッチング等により行なう。
【００２６】
次に、図５（ｃ）に示すように、メサ構造に加工された側面に、ｉ-ＩｎＰブロック層３０及び３１をＭＯＶＰＥ法等により形成する。具体的には、ｎ-ＩｎＰクラッド層２２においてドライエッチング等された面上に、抵抗の高いｉ-ＩｎＰ膜をＭＯＶＰＥ成長させることによりｉ-ＩｎＰブロック層３０及び３１を形成し、この後、ＳｉＯ２マスク４１を除去する。ＩｎＧａＡｓ活性層２４の両側に形成されるｉ-ＩｎＰブロック層３０及び３１は電流狭窄層となるものである。
【００２７】
次に、図５（ｄ）に示すように、アノード電極２８及びカソード電極２９を形成する。具体的には、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２７上にアノード電極２８を形成し、ｎ-ＩｎＰクラッド層２２等が形成されていないｎ-ＩｎＰ基板２１の裏面にカソード電極２９を形成する。両電極の構成としては、例えばＡｕ（１００〜２０００ｎｍ）、Ｚｎ（１００〜２０００ｎｍ）、Ａｕ（１００〜５０００ｎｍ）を用いる。
【００２８】
この後、信号光の進行方向に対し垂直な面において劈開することにより信号光の入射面（入射側の端面）と出射面（出射側の端面）を形成する。さらにこの後、信号光の出射側の端面には、屈折率１．４４で厚さ１００ｎｍのＳｉＯ２（酸化シリコン）膜と、屈折率２．４で厚さ３００ｎｍのＴｉＯ２（二酸化チタン）とを交互に各々８層積層形成した誘電体多層膜により反射防止膜１４を形成する。各膜の形成には例えばEB（電子ビーム）蒸着法等を用いる。この反射防止膜１４は、ＡＳＥ光及び信号光に対し反射防止する機能を有するものである。また、信号光の入射側の端面には、厚さ１９０ｎｍのＳｉＯ２膜と、厚さ１５０ｎｍのＴｉＯ２とを交互に各々８層積層形成した誘電体多層膜により波長選択反射膜１３を形成する。この波長選択反射膜１３は、ＡＳＥ光を反射し信号光を透過する機能を有するものである。各膜の形成には例えばEB（電子ビーム）蒸着法等を用いる。ここで、波長選択反射膜の繰り返し層数は８層に限らず、波長選択反射膜で必要となる反射特性に応じて単層から２０層以上の繰り返しを用いてよい。具体的には、反射スペクトルの形状をより急峻（図６における透過波長帯域を形成するスロープが垂直に近い）にする場合にはより多い繰り返し層数を選択し、急峻さが必要で無い場合には少ない繰り返し層数を選択する。また、各膜の膜厚についても必要な透過中心波長に応じて、１０〜５００ｎｍの範囲で調整を行う。各膜の材質についても、実施構造以外の屈折率１．５〜３．０をもつ材質を用いてもよい。これにより、図４（ｂ）に示す半導体光増幅装置２０を作製することができる。
【００２９】
尚、本実施の形態における半導体光増幅装置２０では、ｎ-ＩｎＰ基板２１に代えてｎ-ＧａＡｓ基板を用いることも可能である。また、ｎ-ＩｎＰクラッド層２２、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層２３、ＩｎＧａＡｓ活性層２４、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層２５、ｐ-ＩｎＰクラッド層２６、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２７の成膜にはＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy：分子線エピタキシー）等を用いてもよい。
【００３０】
図６に、上記方法により形成された波長選択反射膜１３の反射率特性とＡＳＥ光のスペクトルを示す。この波長選択反射膜１３は、ＡＳＥ光のピーク波長１４７０ｎｍにおける反射率は９０％以上であり、信号光の波長１５５０ｎｍにおける反射率は約１％であり、ＡＳＥ光に対しては反射膜として機能するが、信号光は反射することなく透過する膜である。よって、信号光における光損失は殆どなく、ＡＳＥ光を高い反射率で反射させることができる。
【００３１】
また、本実施の形態における半導体光増幅装置２０は、端面の一方に波長選択反射膜１３が形成されており、端面の他方には反射防止膜１４が形成されているため、共振器としての機能を有していない。よって、レーザ発振することはない。
【００３２】
次に、図７及び図８に基づき本実施の形態における半導体光増幅装置により生じるＡＳＥ光について説明する。
【００３３】
図７（ａ）に示すように、本実施の形態における半導体光増幅装置において、半導体光増幅装置に２０ｋＡ／ｃｍ２の電流密度の電流を印加することにより、光導波路の反射防止膜が形成されている端部では強度が５０ｍＷのＡＳＥ光を得ることができる。尚、この際に流れる駆動電流は５４０ｍＡであり、半導体光増幅装置における信号光の進行方向における長さは９００μｍである。一方、図１（ａ）に示す半導体光増幅装置において、強度が５０ｍＷのＡＳＥ光を得るためには、図７（ｂ）に示すように半導体光増幅装置の信号光の進行方向における長さを１８００μｍとする必要があり、この際に流れる駆動電流は１０８０ｍＡである。これより、同じ強度のＡＳＥ光を得る場合において、本実施の形態における半導体光増幅装置は、関連技術の図１（ａ）に示す半導体光増幅装置に対し、信号光の進行方向における長さを半分にすることができ、また、駆動電流も半分に抑えることができる。
【００３４】
次に、図８に、ＡＳＥ光強度と利得変動時間の関係を示す。図１（ａ）に示す半導体光増幅装置において、半導体光増幅装置の信号光の進行方向における長さが９００μｍである場合では、光導波路の端部におけるＡＳＥ光の強度は約０．４ｍＷであり、この際の利得変動時間は約２８０ｐｓである。一方、本実施の形態における半導体光増幅装置において、半導体光増幅装置の信号光の進行方向における長さが９００μｍでは、光導波路の信号光の出射側の端部におけるＡＳＥ光の強度は約５０ｍＷであり、この際の利得変動時間は約１００ｐｓである。即ち、本実施の形態における半導体光増幅装置は、関連技術の図１（ａ）に示す半導体光増幅装置に対し、約３倍高速化させることができる。このように本実施の形態における半導体光増幅装置では、利得変動時間を短くすることができ、パターン効果による波形劣化を抑えることが可能となる。
【００３５】
次に、図９に基づき別の構造の波長選択反射膜１３について説明する。図９（ａ）は、屈折率１．４４で厚さ１８０ｎｍのＳｉＯ２膜と、屈折率２．０で厚さ２００ｎｍのＳｉＮ（窒化シリコン）膜とを交互に各々１０層積層形成した誘電体多層膜の波長選択反射膜１３における反射率特性を示す。このような誘電体多層膜により、ＡＳＥ光のピーク波長である１４７０ｎｍの光は反射率が９０％以上であるが、信号光の波長である１５５０ｎｍの光は、殆ど反射することなく透過する特性を有する波長選択反射膜１３を得ることができる。
【００３６】
また、本実施の形態における半導体光増幅装置は、信号光が１３００ｎｍの場合についても適用可能である。図９（ｂ）に、屈折率１．４４で厚さ１６０ｎｍのＳｉＯ２膜と、屈折率２．４で厚さ１２０ｎｍのＴｉＯ２膜とを交互に各々８層積層形成した誘電体多層膜の波長選択反射膜１３における反射率特性を示す。このような誘電体多層膜により、ＡＳＥ光のピーク波長である１２５０ｎｍの光は、反射率が９０％以上であるが、信号光の波長である１３００ｎｍの光は、殆ど反射することなく透過する波長選択反射膜１３を得ることができる。いずれの実施形態においても、各膜の形成には例えばＥＢ（電子ビーム）蒸着法等を用いる。ここで、波長選択反射膜の繰り返し層数は８、１０層に限らず、波長選択反射膜で必要となる反射特性に応じて単層から２０層以上の繰り返しを用いてよい。具体的には、反射スペクトルの形状をより急峻（図６における透過波長帯域を形成するスロープが垂直に近い）にする場合にはより多い繰り返し層数を選択し、急峻さが必要で無い場合には少ない繰り返し層数を選択する。また、各膜の膜厚についても必要な透過中心波長に応じて、１０〜５００ｎｍの範囲で調整を行う。各膜の材質についても、実施構造以外の屈折率１．５〜３．０をもつ材質を用いてもよい。
【００３７】
さらに、図１０に示すように、光導波路の信号光を出射する端面において、端面に垂直な方向に対し傾いた角度で信号光を出射する構造に光導波路を形成することにより、より一層信号光の出射側の端面におけるＡＳＥ光の反射を抑えることが可能である。図１０は、この半導体光増幅装置の上面からの概要を示すものである。この半導体光増幅装置は信号光の出射側の端面に垂直な方向に対し、信号光を角度θ（５〜２０度）の傾きをもたせ出射させるものであり、このため活性層である光導波路４２を屈曲させて形成したものである。これにより反射防止膜１４の形成されている出射側の端面において僅かながら反射した光であっても光導波路４２には戻ることがなく、光導波路４２内におけるＡＳＥ光の共振をより確実に防ぐことができる。
【００３８】
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態における半導体光増幅装置は、活性層が量子ドット（Quantum dot）構造を有するものである。
【００３９】
図１１に基づき本実施の形態における半導体光増幅装置１２０について説明する。図１１（ａ）は、信号光の進行方向に対し垂直な面における半導体光増幅装置の断面図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）における鎖線１１Ａ−１１Ｂにおいて切断した断面の断面図である。半導体光増幅装置１２０は、ｎ-ＩｎＰ基板１２１上に、ｎ-ＩｎＰクラッド層１２２、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層１２３、ＩｎＧａＡｓ活性層１２４、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層１２５、ｐ-ＩｎＰクラッド層１２６、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１２７が積層されている。更に、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１２７上にはアノード電極１２８が形成され、ｎ-ＩｎＰ基板１２１のｎ-ＩｎＰクラッド層１２２が形成されている面と反対側の面には、カソード電極１２９が形成されている。また、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層１２３、量子ドット活性層１２４、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層１２５、ｐ-ＩｎＰクラッド層１２６、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１２７、ｎ-ＩｎＰクラッド層１２２の一部はメサ構造になっている。このメサ構造の側面にはｉ-ＩｎＰブロック層１３０及び１３１が設けられている。さらに、信号光の入射面には波長選択反射膜１１３を形成され、信号光の出射面には反射防止膜１１４が形成されている。尚、ｎ-ＩｎＰ基板１２１は図２における半導体基板１１に相当し、量子ドット活性層１２４は、図２における活性層１２に相当する。
【００４０】
次に、図１２に基づき本実施の形態における半導体光増幅装置の製造方法を説明する。図１２（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態における半導体光増幅装置の製造方法の工程を示すものであり、信号光の進行方向に対し垂直な面における半導体光増幅装置の断面図である。
【００４１】
最初に、図１２（ａ）に示すように、ｎ-ＩｎＰ基板１２１上に各々の層を形成する。具体的には、ｎ-ＩｎＰ基板１２１上に、ｎ-ＩｎＰクラッド層１２２（膜厚１００〜３０００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層１２３（膜厚１０〜３００ｎｍ）、量子ドット活性層１２４（膜厚１０〜５００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層１２５（膜厚１０〜３００ｎｍ）、ｐ-ＩｎＰクラッド層１２６（膜厚３００〜４０００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１２７（膜厚１００〜１０００ｎｍ）を形成する。形成方法はＭＯＶＰＥ法又はＭＢＥ法であり、エピタキシャル成長させることにより順次積層形成する。
【００４２】
次に、量子ドット活性層１２４について説明する。図１３は、量子ドット活性層１２４の部分を拡大した構造図である。図に示されるように、量子ドット活性層１２４は、ＧａＩｎＡｓＰのサイドバリア（Side barrier）１５１（膜厚２〜５０ｎｍ）及びＩｎＡｓの量子ドット１５２（高さ２〜５０ｎｍ）により形成される。ここで、量子ドット１５２は、Ｓ-Ｋ(Stranski-Krastanov)モード等の自己形成技術を用いて形成される。尚、この量子ドット１５２は、コラムナードットであるため、ドット周囲にサイドバリア１５１が形成される。
【００４３】
次に、図１２（ｂ）に示すように、光導波路となる領域をメサ構造に加工する。具体的には、最初にＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１２７上に、マスクとなるＳｉＯ２（酸化シリコン）マスク１４１を形成する。このＳｉＯ２マスク１４１は、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１２７上にＳｉＯ２膜を形成した後、フォトリソグラフィ法により形成したレジストパターンをマスクとして、レジストパターンが形成されていない領域のＳｉＯ２膜を除去することにより形成する。ＳｉＯ２膜の除去には、ＲＩＥ等のエッチング方法が用いられ、この後、レジストパターンを除去する。次に、このＳｉＯ２マスク１４１を用い、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層１２３、量子ドット活性層１２４、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層１２５、ｐ-ＩｎＰクラッド層１２６、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１２７及びｎ-ＩｎＰクラッド層１２２の一部（残存膜厚０〜３０００ｎｍ）をメサ構造に加工する。メサ構造の加工は、ＳｉＯ２マスク１４１をマスクとして用いてドライエッチング等により行なう。
【００４４】
次に、図１２（ｃ）に示すように、メサ構造に加工された側面に、ｉ-ＩｎＰブロック層１３０及び１３１を形成する。形成方法としては例えばＭＯＣＶＤ法を用いる。具体的には、ｎ-ＩｎＰクラッド層１２２においてドライエッチング等された面上に抵抗の高いｉ-ＩｎＰ膜を成長させることによりｉ-ＩｎＰブロック層１３０及び１３１を形成し、この後、ＳｉＯ２マスク１４１を除去する。量子ドット活性層１２４の両側に形成されるｉ-ＩｎＰブロック層１３０及び１３１は電流狭窄層となるものである。
【００４５】
次に、図１２（ｄ）に示すように、アノード電極１２８及びカソード電極１２９を形成する。具体的には、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１２７上にアノード電極１２８を形成し、ｎ-ＩｎＰクラッド層１２２等が形成されていないｎ-ＩｎＰ基板１２１の裏面にカソード電極１２９を形成する。両電極の構成としては、例えばＡｕ（１００〜２０００ｎｍ）、Ｚｎ（１００〜２０００ｎｍ）、Ａｕ（１００〜５０００ｎｍ）を用いる。
【００４６】
この後、信号光の進行方向に対し垂直な面において劈開することにより信号光の入射面（入射側の端面）と出射面（出射側の端面）を形成する。さらに、信号光の出射側の端面には、屈折率１．４４で厚さ１００ｎｍのＳｉＯ２（酸化シリコン）膜と、屈折率２．４で厚さ３００ｎｍのＴｉＯ２（二酸化チタン）とを交互に各々８層積層形成した誘電体多層膜により反射防止膜１１４を形成する。尚、反射防止膜１１４は、ＡＳＥ光及び信号光に対し反射防止する機能を有するものである。また、信号光の入射側の端面には、厚さ１９０ｎｍのＳｉＯ２膜と、厚さ１５０ｎｍのＴｉＯ２とを交互に各々８層積層形成した誘電体多層膜により波長選択反射膜１１３を形成する。これにより、図１１（ｂ）に示すような半導体光増幅装置１２０を作製することができる。
【００４７】
本実施の形態における半導体光増幅装置１２０は、量子ドット活性層１２４を有しているため、より利得応答速度を高速にすることができるとともに、温度依存性を低く抑えることができる。また、本実施の形態における半導体光増幅装置は、量子ドット活性層１２４として、単層のS-K自己形成量子ドットなどのコラムナ量子ドット以外の構造を用いてもよい。また、量子井戸構造の活性層を適用することも可能である。さらに、各種構造の活性層材料に歪を印加する手法などを用いて、入力信号光の偏光状態に関係なく動作させることも可能である。
【００４８】
尚、本実施の形態における半導体光増幅装置１２０では、ｎ-ＩｎＰ基板１２１に代えてｎ-ＧａＡｓ基板を用いることが可能である。さらに、基板の導電型としてｐ-ＩｎＰやｐ-ＧａＡｓを使用し、活性層上部のクラッド層をn型半導体とすることで実施構造例と逆の電気極性を持つ半導体光増幅器を適用しても良い。また、ｎ-ＩｎＰクラッド層１２２、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層１２３、ＩｎＧａＡｓ活性層１２４、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層１２５、ｐ-ＩｎＰクラッド層１２６、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１２７の成膜にはＭＢＥ（分子線エピタキシー）等を用いてもよい。更に、本実施の形態における半導体光増幅装置においては、第１の実施の形態における図９で説明した波長選択反射膜を用いることも可能である。
【００４９】
〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、信号光の入射側に回折格子を設けた構成の半導体光増幅装置である。
【００５０】
図１４に示す半導体光増幅装置は、半導体基板２１１上に光導波路となる活性層２１２を形成したものであり、活性層２１２は上下に設けられた不図示のクラッド層等により挟まれている。半導体光増幅装置の信号光の入射面と出射面には、各々の反射による光損失を防ぐため反射防止膜２１３及び２１４が形成されており、信号光の入射側の活性層２１２の下側には、回折格子２１５が設けられている。この回折格子２１５は、活性層２１２内で発生したＡＳＥ光を反射し、信号光を透過するものである。回折格子２１５の周期Λはその反射波長λがλ=２・n・Λ（nは導波路の等価屈折率で３〜３．５程度）で有る関係を用いて、必要な反射波長に応じて１００〜４００nmの間で設定される。例えば、ＳＯＡのＡＳＥピーク波長が１４５０ｎｍである場合には、Λは２２６nm(n=３．３とした)に設定される。
【００５１】
活性層２１２においては、信号光と同方向に伝搬する光（ＡＳＥ＋）と逆方向に伝搬する光（ＡＳＥ−）が発生する。このうち、ＡＳＥ−は回折格子２１５により反射され、信号方向と同方向に伝搬する光（ＡＳＥ反射）となり、更に光導波路を伝搬することにより光利得を受けて増幅される。このため、ＡＳＥ＋、ＡＳＥ−、ＡＳＥ反射の強度の和である全ＡＳＥ光の強度は、第１の実施の形態と同様に、信号光の出射側の活性層２１２の端部において高くなる。
【００５２】
尚、回折格子２１５は、活性層２１２の上側に設けてもよく、また、広い波長領域のＡＳＥ光に対して高い反射率を得るために、表面回折格子や、回折格子の周期が一様ではなく、光導波路における信号光の進行方向で周期が変化するチャープ回折格子であってもよい。また、活性層２１２は、第１の実施の形態における活性層、第２の実施の形態における量子ドット活性層のどちらについても適用することが可能である。
【００５３】
〔第４の実施の形態〕
次に、第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、半導体光増幅装置を組み込んだ光モジュールである。
【００５４】
図１５及び図１６に基づき本実施の形態における光モジュールについて説明する。本実施の形態における光モジュールは、図１５に示すように、光ファイバー３０１、光学系３０２、第１の実施の形態における半導体光増幅装置２０、光学系３０４、光ファイバー３０５、ステージ３０６、波長フィルタ３５１を有している。尚、本実施の形態では、一例として第１の実施の形態における半導体光増幅装置２０を有する場合について説明するが、本実施の形態における光モジュールは、第２及び第３の実施の形態における半導体光増幅装置についても同様に用いることが可能である。半導体光増幅装置２０には、入力された信号光が光ファイバー３０１より、光学系３０２を介し入射される。また、半導体光増幅装置２０から出射された信号光は、光学系３０４を介し、光ファイバー３０５へと出力される。ステージ３０６は、温度調節機能を有しており、半導体光増幅装置２０は一定温度に保たれている。波長フィルタ３５１は波長選択フィルタ（誘電体多層膜を用いた波長選択フィルタ）であって、光ファイバー３０５の途中に設けられており、ＡＳＥ光を吸収し、信号光は透過する特性を有している。
【００５５】
尚、光学系３０２は、光ファイバー３０１からの信号光を半導体光増幅装置２０の入射面に入射させるためのレンズ３０７及び３０８を有している。また、光学系３０４は、半導体光増幅装置２０から出射された信号光を光ファイバー３０５に入射させるためのレンズ３０９及び３１０を有している。
【００５６】
この光モジュールにおいて、図１６に示すように半導体光増幅装置２０は電源となる駆動回路３５２により駆動する。即ち、駆動回路３５２は、半導体光増幅装置２０のアノード電極２８及びカソード電極２９と電気的に接続されており、半導体光増幅装置２０に電流を流すことにより駆動する。
【００５７】
このように半導体光増幅装置２０に電流を流した状態で、光ファイバー３０１より光学系３０２を介し信号光を半導体光増幅装置２０に入射することにより、半導体光増幅装置２０から出射された信号光は、光学系３０４を介し光ファイバー３０５より出力される。尚、前述のとおり、光ファイバー３０５には、途中に波長フィルタ３５１が設けられており、ＡＳＥ光は吸収される。
【００５８】
図１７に、図１５に示す光モジュールに入力する入力信号波形と、出力される出力信号波形を示す。図１７（ａ）は、図１５に示す光モジュールに入力する入力信号波形であり、図１７（ｂ）は、図１５に示す光モジュールより出力される出力信号波形である。図１７（ａ）に示す入力信号は、１０ＧｂｐｓＮＲＺ（Non Return to Zero）変調信号光であり、“１”のレベルにノイズを多く含んだ信号である。半導体光増幅装置２０の飽和光出力程度のレベルまで増幅することにより、半導体光増幅装置２０内の高速な利得飽和効果により、“１”レベルのノイズは強度圧縮され、信号光の品質が改善される「光リミッタアンプ動作」を実現することができる。図１７（ｂ）に示す出力信号波形では、入力信号波形よりもアイパターンが開いており、出力された信号光の品質が改善されていることが確認される。
【００５９】
以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
【００６０】
上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された活性層を有する光導波路と、
前記光導波路に信号光を入射させる端面に形成され、前記信号光を透過し、前記信号光以外の波長の光を反射する波長選択反射膜と、
を有することを特徴とする半導体光増幅装置。
（付記２）
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された活性層を有する光導波路と、
前記光導波路に信号光を入射させる側の前記光導波路の上方又は下方に形成された、、前記信号光を透過し、前記信号光以外の波長の光を反射する回折格子と、
を有することを特徴とする半導体光増幅装置。
（付記３）
前記信号光以外の波長の光は、前記活性層より生じた自然放出光であることを特徴とする付記１又は２に記載の半導体光増幅装置。
（付記４）
前記活性層より前記信号光が出射される端面に形成され、前記信号光及び前記自然放出光以外の波長の光の反射を防止する反射防止膜を更に有することを特徴とする付記１から３のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置。
（付記５）
前記波長選択反射膜は、誘電体多層膜であることを特徴とする付記１、３、４のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置。
（付記６）
前記誘電体多層膜は、酸化物または窒化物を含む第１の屈折率材料と、酸化物または窒化物を含む第２の屈折率材料の積層膜であることを特徴とする付記５に記載の半導体光増幅装置。
（付記７）
前記活性層は、量子井戸構造を有することを特徴とする付記１から６のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置。
（付記８）
前記活性層は、量子ドット活性層であることを特徴とする付記１から６のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置。
（付記９）
前記量子ドット活性層は、ＧａＩｎＡｓＰ内に、ＩｎＡｓの量子ドットが形成されたものであることを特徴とする付記８に記載の半導体光増幅装置。
（付記１０）
前記光導波路の前記信号光を出射する端面において、前記端面に垂直な方向に対し傾いた角度で前記信号光を出射するものであることを特徴とする付記１から９のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置。
（付記１１）
前記信号光の波長のピークは、前記自然放出光の波長のピークよりも長波長であることを特徴とする付記１から１０のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置。
（付記１２）
前記誘電体多層膜は、酸化チタンと酸化シリコンとの積層膜であることを特徴とする付記５に記載の半導体光増幅装置。
（付記１３）
前記誘電体多層膜は、窒化シリコンと酸化シリコンの積層膜であることを特徴とする付記５に記載の半導体光増幅装置。
（付記１４）
前記半導体基板は、ＩｎＰを含むことを特徴とする付記１から１３のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置。
（付記１５）
前記活性層の上方及び下方に形成された一対の電極と、
前記電極に電圧を印加する電源と、
を更に有することを特徴とする付記１から１４のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置。
（付記１６）
付記１から１５のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置と、
前記半導体光増幅装置における前記光導波路に信号光を入射させるための光学素子と、
前記半導体光増幅装置における前記光導波路から出射された信号光を出力するための光学素子と、
を有することを特徴とする光モジュール。
（付記１７）
前記半導体光増幅装置は前記活性層の上方及び下方に形成された一対の電極と、
前記電極に電圧を印加する電源と、を更に有していることを特徴とする付記１６に記載の光モジュール。
（付記１８）
前記半導体光増幅装置からの前記信号光の出射側には、前記信号光の透過率よりも、前記自然放出光の透過率が低い波長選択フィルタを有していることを特徴とする付記１６または１７に記載の光モジュール。
（付記１９）
前記光学素子は、光ファイバーを有するものであることを特徴とする付記１６から１９のいずれか１項に記載の光モジュール。
【符号の説明】
【００６１】
１１ 半導体基板
１２ 活性層
１３ 波長選択反射膜
１４ 反射防止膜
２１ ｎ-ＩｎＰ基板
２２ ｎ-ＩｎＰクラッド層
２３ ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層
２４ ＩｎＧａＡｓ活性層
２５ ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層
２６ ｐ-ＩｎＰクラッド層
２７ ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
２８ アノード電極
２９ カソード電極
３０ ｉ-ＩｎＰブロック層
３１ ｉ-ＩｎＰブロック層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光増幅装置及び光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の通信需要の飛躍的な増大に伴い、フォトニックネットワークの適用範囲が広がるとともに、ネットワークの大容量化・高機能化が進んでいる。半導体光増幅装置である半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）は、現在用いられている光ファイバー増幅器モジュールと比較して非常にシンプルな構成の光増幅器である。このため、小型化で低消費電力な光増幅器として、ネットワークへの適用が検討されている。また、半導体光増幅器は光利得において高い非線形性を有しており、光信号再生や光波長変換等の各種信号処理に用いる能動素子としても有望である。このような半導体光増幅器として、信号光が入射する面と出射する面の双方に反射防止膜を形成した構造の半導体光増幅器が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
半導体光増幅器をフォトニックネットワークにおける光増幅器や光信号処理素子として使用する際には、高速な利得応答性が望まれる。しかし、半導体光増幅器は、半導体光増幅器からの光出力の増加にともない光利得が減少する利得飽和現象を有しており、この利得飽和現象は一般に＋０〜＋１０ｄＢｍ以上の光出力領域で顕著に発生する。例えば、１０Ｇｂｐｓ以上の変調レートを有する強度変調信号光を半導体光増幅器の利得が飽和領域に達するまで増幅した場合、利得飽和現象によるパターン効果が発生し、出力される信号光の波形が著しく劣化し、通信品質が低下してしまう。このパターン効果による信号光の波形劣化は、信号光の変調速度と半導体光増幅器内の利得変動速度が同程度であることにより生じる現象である。
【０００４】
ところで、半導体光増幅器内の利得変動速度は、半導体光増幅器の活性層内で光利得に寄与するキャリア（電子、正孔）の寿命によって決まることが知られている。一般的に活性層におけるキャリア寿命は、活性層材料や不純物のドーピング条件で定まるものであり、活性層材料の変更や半導体光増幅器の構造の最適化等により、大幅に高速化させることは困難である。このため半導体光増幅器の利得変動速度を高速化させるための方法として、外部光注入による方法やＡＳＥ光（Amplified Spontaneous Emission：増幅された自然放出光）自己飽和効果による方法が知られている（例えば、非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−６７２２２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】F. Girardin, G. Guekos and A. Houbavlis, “Gain Recovery of BulkSemiconductor Optical Amplifiers”, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 10,No. 6, JUNE 1998
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、外部光を注入する方法では、半導体光増幅器の外部に別光源を設ける必要があり、構造は複雑なものとなるため小型化には適さない。また、ＡＳＥ光自己飽和効果による方法では、外部光源等は不要ではあるが、半導体光増幅器の活性層を予め飽和させておくため、充分にＡＳＥ光強度を高くしておく必要がある。このため通常の半導体光増幅器よりも長く形成する必要があり、駆動の際の消費電力が増加してしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本実施の形態の一観点によれば、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された活性層を有する光導波路と、前記光導波路に信号光を入射させる端面に形成された、前記活性層より生じた自然放出光を反射し、前記信号光を透過する波長選択反射膜と、前記活性層より前記信号光が出射される端面に形成された、前記信号光及び前記自然放出光における反射を防止する反射防止膜と、を有する。
【０００９】
また、本実施の形態の別の観点によれば、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された活性層を有する光導波路と、前記光導波路に信号光を入射させる側の前記半導体基板及び光導波路により形成された、前記活性層より生じた自然放出光を反射し、前記信号光を透過する回折格子と、前記活性層より前記信号光を入射する端面及び出射される端面に形成された、前記信号光及び前記自然放出光における反射を防止する反射防止膜と、を有する。
【発明の効果】
【００１０】
開示の半導体光増幅装置及び光モジュールによれば、駆動の際の消費電力を低くすることができ、また、小型にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】関連技術の半導体光増幅装置の説明図
【図２】第１の実施の形態における半導体光増幅装置の説明図
【図３】光スペクトル及び波長選択反射膜の反射率の特性図
【図４】第１の実施の形態における半導体光増幅装置の構造図
【図５】第１の実施の形態における半導体光増幅装置の製造工程図
【図６】ＡＳＥ光のスペクトル及び波長選択反射膜の反射率の特性図
【図７】半導体光増幅装置のＡＳＥ光強度の説明図
【図８】ＡＳＥ光強度と利得変動時間との相関図
【図９】他の波長選択反射膜における反射率の特性図
【図１０】第１の実施の形態における他の半導体光増幅装置の説明図
【図１１】第２の実施の形態における半導体光増幅装置の構造図
【図１２】第２の実施の形態における半導体光増幅装置の製造工程図
【図１３】量子ドット活性層を拡大した構造図
【図１４】第３の実施の形態における半導体光増幅装置の構造図
【図１５】第４の実施の形態における光モジュールの構造図
【図１６】光モジュール内の光信号処理装置の構造図
【図１７】入力信号と出力信号の信号波形図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施するための形態について、以下に説明する。
【００１３】
〔第１の実施の形態〕
第１の実施の形態における半導体光増幅装置について説明する。
【００１４】
最初に、ＡＳＥ光の強度分布について検討した内容について説明する。図１は、関連技術の半導体光増幅装置の構造及びＡＳＥ光の強度分布を示すものである。
【００１５】
図１（ａ）に示す半導体光増幅装置は、半導体基板４０１上に光導波路となる活性層４０２を形成したものであり、活性層４０２は上下に設けられた不図示のクラッド層等により挟まれている。また、半導体光増幅装置の信号光の入射面と出射面には、各々の面における反射を防ぐため反射防止膜４０３及び４０４が形成されている。尚、半導体光増幅装置の信号光の進行方向における長さは９００μｍである。
【００１６】
図１（ｂ）に、この半導体光増幅装置の活性層の図面上横方向の位置と、ＡＳＥ光強度との関係を示す。ＡＳＥ光は活性層４０２の全域で均等に発生した自然放出光が光導波路を伝搬することにより光利得を受けて増幅されたものである。このＡＳＥ光は信号光と同方向に伝搬する光（ＡＳＥ＋）と、逆方向に伝搬する光（ＡＳＥ−）とを有し、ＡＳＥ＋とＡＳＥ−との強度の和が全ＡＳＥ光の強度となる。ＡＳＥ＋、ＡＳＥ−は、活性層４０２の端面近傍において強度が高くなるため、活性層４０２の両端において全ＡＳＥ光の強度が高くなる。図に示されるように、この際の全ＡＳＥ光の強度のピークの値は、約０．４ｍＷである。このような半導体光増幅装置において、ＡＳＥ光強度を高める方法としては、半導体光増幅装置を信号光の進行方向に長くする方法（図面上横方向に長くする方法）が有効であるが、この方法は、前述のとおり駆動電流が大きくなってしまい好ましくない。
【００１７】
次に、図２に基づき本実施の形態における半導体光増幅装置について説明する。図２（ａ）に示されるように、本実施の形態における半導体光増幅装置は、半導体基板１１上に光導波路となる活性層１２を形成し、活性層１２は上下に設けられた不図示のクラッド層等により挟まれている。半導体光増幅装置の信号光の入射面には波長選択反射膜１３が形成されており、信号光の出射面には反射防止膜１４が形成されている。尚、半導体光増幅装置の信号光の進行方向における長さは９００μｍである。
【００１８】
次に、図３に基づき本実施の形態の半導体光増幅装置における波長選択反射膜１３について説明する。図３は、波長選択反射膜１３における反射率特性と、ＡＳＥ光及び信号光の強度分布を示す。半導体光増幅装置の活性層１２において生じるＡＳＥ光のピーク波長に対し、信号光となるレーザ光の波長は長く、ＡＳＥ光の波長のピークと信号光の波長とは異なる波長である。また、波長選択反射膜１３は、ＡＳＥ光に対しては高い反射率を示し、信号光に対しては反射率が低く殆ど透過する特性を有している。
【００１９】
このような波長選択反射膜１３を設けることにより、本実施の形態における半導体光増幅装置は、信号光の入射面において、信号光の入射の際の光損失が殆ど生じることなく、信号光と逆方向に伝搬する光（ＡＳＥ−）を反射させることができる。
【００２０】
図２（ｂ）に、本実施の形態における半導体光増幅装置の活性層の信号光の進行方向の位置と、ＡＳＥ光強度との関係を示す。活性層１２においては、信号光と同方向に伝搬する光（ＡＳＥ＋）と逆方向に伝搬する光（ＡＳＥ−）とが発生する。このうちＡＳＥ−は、波長選択反射膜１３において反射され、信号光と同方向に伝搬する光（ＡＳＥ反射）となり、更に光導波路を伝搬することにより光利得を受けて増幅される。よって、ＡＳＥ＋、ＡＳＥ−及びＡＳＥ反射の強度の和である全ＡＳＥ光の強度は、信号光の出射側の活性層１２の端部において高くなる。図２（ｂ）に示されるように、この際の全ＡＳＥ光の強度のピークの値は約５０ｍＷである。このように半導体光増幅装置において、信号光の進行方向における長さを同じにした場合であっても、ＡＳＥ光の強度を高くすることは可能である。尚、本実施の形態の半導体光増幅装置における波長選択反射膜１３は、ＡＳＥ光を約８０％反射する特性を有するものである。
【００２１】
次に、図４に基づき本実施の形態における半導体光増幅装置２０について、より詳細に説明する。図４（ａ）は、信号光の進行方向に対し垂直な面における半導体光増幅装置の断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）における鎖線４Ａ−４Ｂにおいて切断した断面の断面図である。半導体光増幅装置２０は、ｎ-ＩｎＰ基板２１上に、ｎ-ＩｎＰクラッド層２２、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層２３、ＩｎＧａＡｓ活性層２４、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層２５、ｐ-ＩｎＰクラッド層２６、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２７が積層されている。更に、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２７上にはアノード電極２８が形成され、ｎ-ＩｎＰ基板２１のｎ-ＩｎＰクラッド層２２が形成されている面と反対側の面には、カソード電極２９が形成されている。尚、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層２３及びＩｎＧａＡｓＰ光閉込層２５となる光閉込層は、ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）層とも称する。
【００２２】
また、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層２３、ＩｎＧａＡｓ活性層２４、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層２５、ｐ-ＩｎＰクラッド層２６、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２７とｎ-ＩｎＰクラッド層２２の一部はメサ構造となっている。このメサ構造の側面にはｉ-ＩｎＰブロック層３０及び３１が設けられている。更に、信号光の入射面には波長選択反射膜１３が形成され、信号光の出射面には反射防止膜１４が形成されている。尚、ｎ-ＩｎＰ基板２１は図２における半導体基板１１に相当し、ＩｎＧａＡｓ活性層２４は、図２における活性層１２に相当する。
【００２３】
次に、図５に基づき本実施の形態における半導体光増幅装置の製造方法について説明する。図５（ａ）〜（ｄ）は、信号光の進行方向に対し垂直な面における半導体光増幅装置の断面図である。
【００２４】
最初に図５（ａ）に示すように、ｎ-ＩｎＰ基板２１上に、ｎ-ＩｎＰクラッド層２２（膜厚１００〜３０００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層２３（膜厚１０〜３００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓ活性層２４（膜厚１０〜５００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層２５（膜厚１０〜３００ｎｍ）、ｐ-ＩｎＰクラッド層２６（膜厚３００〜４０００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２７（膜厚１００〜１０００ｎｍ）を形成する。形成方法はＭＯＶＰＥ（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法等であり、エピタキシャル成長により順次積層形成する。
【００２５】
次に、図５（ｂ）に示すように、光導波路となる領域をメサ構造に加工する。具体的には、最初に、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２７上にマスクとなるＳｉＯ２（酸化シリコン）マスク４１を形成する。このＳｉＯ２マスク４１はＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２７上にＳｉＯ２膜を形成した後、フォトリソグラフィ法により形成したレジストパターンをマスクとして、レジストパターンが形成されていない領域のＳｉＯ２膜を除去することにより形成する。ＳｉＯ２膜の除去には、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等のエッチング方法が用いられ、この後、レジストパターンを除去する。次に、このＳｉＯ２マスク４１を用いて、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層２３、ＩｎＧａＡｓ活性層２４、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層２５、ｐ-ＩｎＰクラッド層２６、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２７及びｎ-ＩｎＰクラッド層２２の一部（残存膜厚０〜３０００ｎｍ）をメサ構造に加工する。メサ構造の加工は、ＳｉＯ２マスク４１をマスクとして用いたドライエッチング等により行なう。
【００２６】
次に、図５（ｃ）に示すように、メサ構造に加工された側面に、ｉ-ＩｎＰブロック層３０及び３１をＭＯＶＰＥ法等により形成する。具体的には、ｎ-ＩｎＰクラッド層２２においてドライエッチング等された面上に、抵抗の高いｉ-ＩｎＰ膜をＭＯＶＰＥ成長させることによりｉ-ＩｎＰブロック層３０及び３１を形成し、この後、ＳｉＯ２マスク４１を除去する。ＩｎＧａＡｓ活性層２４の両側に形成されるｉ-ＩｎＰブロック層３０及び３１は電流狭窄層となるものである。
【００２７】
次に、図５（ｄ）に示すように、アノード電極２８及びカソード電極２９を形成する。具体的には、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２７上にアノード電極２８を形成し、ｎ-ＩｎＰクラッド層２２等が形成されていないｎ-ＩｎＰ基板２１の裏面にカソード電極２９を形成する。両電極の構成としては、例えばＡｕ（１００〜２０００ｎｍ）、Ｚｎ（１００〜２０００ｎｍ）、Ａｕ（１００〜５０００ｎｍ）を用いる。
【００２８】
この後、信号光の進行方向に対し垂直な面において劈開することにより信号光の入射面（入射側の端面）と出射面（出射側の端面）を形成する。さらにこの後、信号光の出射側の端面には、屈折率１．４４で厚さ１００ｎｍのＳｉＯ２（酸化シリコン）膜と、屈折率２．４で厚さ３００ｎｍのＴｉＯ２（二酸化チタン）とを交互に各々８層積層形成した誘電体多層膜により反射防止膜１４を形成する。各膜の形成には例えばEB（電子ビーム）蒸着法等を用いる。この反射防止膜１４は、ＡＳＥ光及び信号光に対し反射防止する機能を有するものである。また、信号光の入射側の端面には、厚さ１９０ｎｍのＳｉＯ２膜と、厚さ１５０ｎｍのＴｉＯ２とを交互に各々８層積層形成した誘電体多層膜により波長選択反射膜１３を形成する。この波長選択反射膜１３は、ＡＳＥ光を反射し信号光を透過する機能を有するものである。各膜の形成には例えばEB（電子ビーム）蒸着法等を用いる。ここで、波長選択反射膜の繰り返し層数は８層に限らず、波長選択反射膜で必要となる反射特性に応じて単層から２０層以上の繰り返しを用いてよい。具体的には、反射スペクトルの形状をより急峻（図６における透過波長帯域を形成するスロープが垂直に近い）にする場合にはより多い繰り返し層数を選択し、急峻さが必要で無い場合には少ない繰り返し層数を選択する。また、各膜の膜厚についても必要な透過中心波長に応じて、１０〜５００ｎｍの範囲で調整を行う。各膜の材質についても、実施構造以外の屈折率１．５〜３．０をもつ材質を用いてもよい。これにより、図４（ｂ）に示す半導体光増幅装置２０を作製することができる。
【００２９】
尚、本実施の形態における半導体光増幅装置２０では、ｎ-ＩｎＰ基板２１に代えてｎ-ＧａＡｓ基板を用いることも可能である。また、ｎ-ＩｎＰクラッド層２２、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層２３、ＩｎＧａＡｓ活性層２４、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層２５、ｐ-ＩｎＰクラッド層２６、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２７の成膜にはＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy：分子線エピタキシー）等を用いてもよい。
【００３０】
図６に、上記方法により形成された波長選択反射膜１３の反射率特性とＡＳＥ光のスペクトルを示す。この波長選択反射膜１３は、ＡＳＥ光のピーク波長１４７０ｎｍにおける反射率は９０％以上であり、信号光の波長１５５０ｎｍにおける反射率は約１％であり、ＡＳＥ光に対しては反射膜として機能するが、信号光は反射することなく透過する膜である。よって、信号光における光損失は殆どなく、ＡＳＥ光を高い反射率で反射させることができる。
【００３１】
また、本実施の形態における半導体光増幅装置２０は、端面の一方に波長選択反射膜１３が形成されており、端面の他方には反射防止膜１４が形成されているため、共振器としての機能を有していない。よって、レーザ発振することはない。
【００３２】
次に、図７及び図８に基づき本実施の形態における半導体光増幅装置により生じるＡＳＥ光について説明する。
【００３３】
図７（ａ）に示すように、本実施の形態における半導体光増幅装置において、半導体光増幅装置に２０ｋＡ／ｃｍ２の電流密度の電流を印加することにより、光導波路の反射防止膜が形成されている端部では強度が５０ｍＷのＡＳＥ光を得ることができる。尚、この際に流れる駆動電流は５４０ｍＡであり、半導体光増幅装置における信号光の進行方向における長さは９００μｍである。一方、図１（ａ）に示す半導体光増幅装置において、強度が５０ｍＷのＡＳＥ光を得るためには、図７（ｂ）に示すように半導体光増幅装置の信号光の進行方向における長さを１８００μｍとする必要があり、この際に流れる駆動電流は１０８０ｍＡである。これより、同じ強度のＡＳＥ光を得る場合において、本実施の形態における半導体光増幅装置は、関連技術の図１（ａ）に示す半導体光増幅装置に対し、信号光の進行方向における長さを半分にすることができ、また、駆動電流も半分に抑えることができる。
【００３４】
次に、図８に、ＡＳＥ光強度と利得変動時間の関係を示す。図１（ａ）に示す半導体光増幅装置において、半導体光増幅装置の信号光の進行方向における長さが９００μｍである場合では、光導波路の端部におけるＡＳＥ光の強度は約０．４ｍＷであり、この際の利得変動時間は約２８０ｐｓである。一方、本実施の形態における半導体光増幅装置において、半導体光増幅装置の信号光の進行方向における長さが９００μｍでは、光導波路の信号光の出射側の端部におけるＡＳＥ光の強度は約５０ｍＷであり、この際の利得変動時間は約１００ｐｓである。即ち、本実施の形態における半導体光増幅装置は、関連技術の図１（ａ）に示す半導体光増幅装置に対し、約３倍高速化させることができる。このように本実施の形態における半導体光増幅装置では、利得変動時間を短くすることができ、パターン効果による波形劣化を抑えることが可能となる。
【００３５】
次に、図９に基づき別の構造の波長選択反射膜１３について説明する。図９（ａ）は、屈折率１．４４で厚さ１８０ｎｍのＳｉＯ２膜と、屈折率２．０で厚さ２００ｎｍのＳｉＮ（窒化シリコン）膜とを交互に各々１０層積層形成した誘電体多層膜の波長選択反射膜１３における反射率特性を示す。このような誘電体多層膜により、ＡＳＥ光のピーク波長である１４７０ｎｍの光は反射率が９０％以上であるが、信号光の波長である１５５０ｎｍの光は、殆ど反射することなく透過する特性を有する波長選択反射膜１３を得ることができる。
【００３６】
また、本実施の形態における半導体光増幅装置は、信号光が１３００ｎｍの場合についても適用可能である。図９（ｂ）に、屈折率１．４４で厚さ１６０ｎｍのＳｉＯ２膜と、屈折率２．４で厚さ１２０ｎｍのＴｉＯ２膜とを交互に各々８層積層形成した誘電体多層膜の波長選択反射膜１３における反射率特性を示す。このような誘電体多層膜により、ＡＳＥ光のピーク波長である１２５０ｎｍの光は、反射率が９０％以上であるが、信号光の波長である１３００ｎｍの光は、殆ど反射することなく透過する波長選択反射膜１３を得ることができる。いずれの実施形態においても、各膜の形成には例えばＥＢ（電子ビーム）蒸着法等を用いる。ここで、波長選択反射膜の繰り返し層数は８、１０層に限らず、波長選択反射膜で必要となる反射特性に応じて単層から２０層以上の繰り返しを用いてよい。具体的には、反射スペクトルの形状をより急峻（図６における透過波長帯域を形成するスロープが垂直に近い）にする場合にはより多い繰り返し層数を選択し、急峻さが必要で無い場合には少ない繰り返し層数を選択する。また、各膜の膜厚についても必要な透過中心波長に応じて、１０〜５００ｎｍの範囲で調整を行う。各膜の材質についても、実施構造以外の屈折率１．５〜３．０をもつ材質を用いてもよい。
【００３７】
さらに、図１０に示すように、光導波路の信号光を出射する端面において、端面に垂直な方向に対し傾いた角度で信号光を出射する構造に光導波路を形成することにより、より一層信号光の出射側の端面におけるＡＳＥ光の反射を抑えることが可能である。図１０は、この半導体光増幅装置の上面からの概要を示すものである。この半導体光増幅装置は信号光の出射側の端面に垂直な方向に対し、信号光を角度θ（５〜２０度）の傾きをもたせ出射させるものであり、このため活性層である光導波路４２を屈曲させて形成したものである。これにより反射防止膜１４の形成されている出射側の端面において僅かながら反射した光であっても光導波路４２には戻ることがなく、光導波路４２内におけるＡＳＥ光の共振をより確実に防ぐことができる。
【００３８】
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態における半導体光増幅装置は、活性層が量子ドット（Quantum dot）構造を有するものである。
【００３９】
図１１に基づき本実施の形態における半導体光増幅装置１２０について説明する。図１１（ａ）は、信号光の進行方向に対し垂直な面における半導体光増幅装置の断面図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）における鎖線１１Ａ−１１Ｂにおいて切断した断面の断面図である。半導体光増幅装置１２０は、ｎ-ＩｎＰ基板１２１上に、ｎ-ＩｎＰクラッド層１２２、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層１２３、ＩｎＧａＡｓ活性層１２４、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層１２５、ｐ-ＩｎＰクラッド層１２６、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１２７が積層されている。更に、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１２７上にはアノード電極１２８が形成され、ｎ-ＩｎＰ基板１２１のｎ-ＩｎＰクラッド層１２２が形成されている面と反対側の面には、カソード電極１２９が形成されている。また、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層１２３、量子ドット活性層１２４、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層１２５、ｐ-ＩｎＰクラッド層１２６、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１２７、ｎ-ＩｎＰクラッド層１２２の一部はメサ構造になっている。このメサ構造の側面にはｉ-ＩｎＰブロック層１３０及び１３１が設けられている。さらに、信号光の入射面には波長選択反射膜１１３を形成され、信号光の出射面には反射防止膜１１４が形成されている。尚、ｎ-ＩｎＰ基板１２１は図２における半導体基板１１に相当し、量子ドット活性層１２４は、図２における活性層１２に相当する。
【００４０】
次に、図１２に基づき本実施の形態における半導体光増幅装置の製造方法を説明する。図１２（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態における半導体光増幅装置の製造方法の工程を示すものであり、信号光の進行方向に対し垂直な面における半導体光増幅装置の断面図である。
【００４１】
最初に、図１２（ａ）に示すように、ｎ-ＩｎＰ基板１２１上に各々の層を形成する。具体的には、ｎ-ＩｎＰ基板１２１上に、ｎ-ＩｎＰクラッド層１２２（膜厚１００〜３０００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層１２３（膜厚１０〜３００ｎｍ）、量子ドット活性層１２４（膜厚１０〜５００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層１２５（膜厚１０〜３００ｎｍ）、ｐ-ＩｎＰクラッド層１２６（膜厚３００〜４０００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１２７（膜厚１００〜１０００ｎｍ）を形成する。形成方法はＭＯＶＰＥ法又はＭＢＥ法であり、エピタキシャル成長させることにより順次積層形成する。
【００４２】
次に、量子ドット活性層１２４について説明する。図１３は、量子ドット活性層１２４の部分を拡大した構造図である。図に示されるように、量子ドット活性層１２４は、ＧａＩｎＡｓＰのサイドバリア（Side barrier）１５１（膜厚２〜５０ｎｍ）及びＩｎＡｓの量子ドット１５２（高さ２〜５０ｎｍ）により形成される。ここで、量子ドット１５２は、Ｓ-Ｋ(Stranski-Krastanov)モード等の自己形成技術を用いて形成される。尚、この量子ドット１５２は、コラムナードットであるため、ドット周囲にサイドバリア１５１が形成される。
【００４３】
次に、図１２（ｂ）に示すように、光導波路となる領域をメサ構造に加工する。具体的には、最初にＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１２７上に、マスクとなるＳｉＯ２（酸化シリコン）マスク１４１を形成する。このＳｉＯ２マスク１４１は、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１２７上にＳｉＯ２膜を形成した後、フォトリソグラフィ法により形成したレジストパターンをマスクとして、レジストパターンが形成されていない領域のＳｉＯ２膜を除去することにより形成する。ＳｉＯ２膜の除去には、ＲＩＥ等のエッチング方法が用いられ、この後、レジストパターンを除去する。次に、このＳｉＯ２マスク１４１を用い、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層１２３、量子ドット活性層１２４、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層１２５、ｐ-ＩｎＰクラッド層１２６、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１２７及びｎ-ＩｎＰクラッド層１２２の一部（残存膜厚０〜３０００ｎｍ）をメサ構造に加工する。メサ構造の加工は、ＳｉＯ２マスク１４１をマスクとして用いてドライエッチング等により行なう。
【００４４】
次に、図１２（ｃ）に示すように、メサ構造に加工された側面に、ｉ-ＩｎＰブロック層１３０及び１３１を形成する。形成方法としては例えばＭＯＣＶＤ法を用いる。具体的には、ｎ-ＩｎＰクラッド層１２２においてドライエッチング等された面上に抵抗の高いｉ-ＩｎＰ膜を成長させることによりｉ-ＩｎＰブロック層１３０及び１３１を形成し、この後、ＳｉＯ２マスク１４１を除去する。量子ドット活性層１２４の両側に形成されるｉ-ＩｎＰブロック層１３０及び１３１は電流狭窄層となるものである。
【００４５】
次に、図１２（ｄ）に示すように、アノード電極１２８及びカソード電極１２９を形成する。具体的には、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１２７上にアノード電極１２８を形成し、ｎ-ＩｎＰクラッド層１２２等が形成されていないｎ-ＩｎＰ基板１２１の裏面にカソード電極１２９を形成する。両電極の構成としては、例えばＡｕ（１００〜２０００ｎｍ）、Ｚｎ（１００〜２０００ｎｍ）、Ａｕ（１００〜５０００ｎｍ）を用いる。
【００４６】
この後、信号光の進行方向に対し垂直な面において劈開することにより信号光の入射面（入射側の端面）と出射面（出射側の端面）を形成する。さらに、信号光の出射側の端面には、屈折率１．４４で厚さ１００ｎｍのＳｉＯ２（酸化シリコン）膜と、屈折率２．４で厚さ３００ｎｍのＴｉＯ２（二酸化チタン）とを交互に各々８層積層形成した誘電体多層膜により反射防止膜１１４を形成する。尚、反射防止膜１１４は、ＡＳＥ光及び信号光に対し反射防止する機能を有するものである。また、信号光の入射側の端面には、厚さ１９０ｎｍのＳｉＯ２膜と、厚さ１５０ｎｍのＴｉＯ２とを交互に各々８層積層形成した誘電体多層膜により波長選択反射膜１１３を形成する。これにより、図１１（ｂ）に示すような半導体光増幅装置１２０を作製することができる。
【００４７】
本実施の形態における半導体光増幅装置１２０は、量子ドット活性層１２４を有しているため、より利得応答速度を高速にすることができるとともに、温度依存性を低く抑えることができる。また、本実施の形態における半導体光増幅装置は、量子ドット活性層１２４として、単層のS-K自己形成量子ドットなどのコラムナ量子ドット以外の構造を用いてもよい。また、量子井戸構造の活性層を適用することも可能である。さらに、各種構造の活性層材料に歪を印加する手法などを用いて、入力信号光の偏光状態に関係なく動作させることも可能である。
【００４８】
尚、本実施の形態における半導体光増幅装置１２０では、ｎ-ＩｎＰ基板１２１に代えてｎ-ＧａＡｓ基板を用いることが可能である。さらに、基板の導電型としてｐ-ＩｎＰやｐ-ＧａＡｓを使用し、活性層上部のクラッド層をn型半導体とすることで実施構造例と逆の電気極性を持つ半導体光増幅器を適用しても良い。また、ｎ-ＩｎＰクラッド層１２２、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層１２３、ＩｎＧａＡｓ活性層１２４、ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層１２５、ｐ-ＩｎＰクラッド層１２６、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１２７の成膜にはＭＢＥ（分子線エピタキシー）等を用いてもよい。更に、本実施の形態における半導体光増幅装置においては、第１の実施の形態における図９で説明した波長選択反射膜を用いることも可能である。
【００４９】
〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、信号光の入射側に回折格子を設けた構成の半導体光増幅装置である。
【００５０】
図１４に示す半導体光増幅装置は、半導体基板２１１上に光導波路となる活性層２１２を形成したものであり、活性層２１２は上下に設けられた不図示のクラッド層等により挟まれている。半導体光増幅装置の信号光の入射面と出射面には、各々の反射による光損失を防ぐため反射防止膜２１３及び２１４が形成されており、信号光の入射側の活性層２１２の下側には、回折格子２１５が設けられている。この回折格子２１５は、活性層２１２内で発生したＡＳＥ光を反射し、信号光を透過するものである。回折格子２１５の周期Λはその反射波長λがλ=２・n・Λ（nは導波路の等価屈折率で３〜３．５程度）で有る関係を用いて、必要な反射波長に応じて１００〜４００nmの間で設定される。例えば、ＳＯＡのＡＳＥピーク波長が１４５０ｎｍである場合には、Λは２２６nm(n=３．３とした)に設定される。
【００５１】
活性層２１２においては、信号光と同方向に伝搬する光（ＡＳＥ＋）と逆方向に伝搬する光（ＡＳＥ−）が発生する。このうち、ＡＳＥ−は回折格子２１５により反射され、信号方向と同方向に伝搬する光（ＡＳＥ反射）となり、更に光導波路を伝搬することにより光利得を受けて増幅される。このため、ＡＳＥ＋、ＡＳＥ−、ＡＳＥ反射の強度の和である全ＡＳＥ光の強度は、第１の実施の形態と同様に、信号光の出射側の活性層２１２の端部において高くなる。
【００５２】
尚、回折格子２１５は、活性層２１２の上側に設けてもよく、また、広い波長領域のＡＳＥ光に対して高い反射率を得るために、表面回折格子や、回折格子の周期が一様ではなく、光導波路における信号光の進行方向で周期が変化するチャープ回折格子であってもよい。また、活性層２１２は、第１の実施の形態における活性層、第２の実施の形態における量子ドット活性層のどちらについても適用することが可能である。
【００５３】
〔第４の実施の形態〕
次に、第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、半導体光増幅装置を組み込んだ光モジュールである。
【００５４】
図１５及び図１６に基づき本実施の形態における光モジュールについて説明する。本実施の形態における光モジュールは、図１５に示すように、光ファイバー３０１、光学系３０２、第１の実施の形態における半導体光増幅装置２０、光学系３０４、光ファイバー３０５、ステージ３０６、波長フィルタ３５１を有している。尚、本実施の形態では、一例として第１の実施の形態における半導体光増幅装置２０を有する場合について説明するが、本実施の形態における光モジュールは、第２及び第３の実施の形態における半導体光増幅装置についても同様に用いることが可能である。半導体光増幅装置２０には、入力された信号光が光ファイバー３０１より、光学系３０２を介し入射される。また、半導体光増幅装置２０から出射された信号光は、光学系３０４を介し、光ファイバー３０５へと出力される。ステージ３０６は、温度調節機能を有しており、半導体光増幅装置２０は一定温度に保たれている。波長フィルタ３５１は波長選択フィルタ（誘電体多層膜を用いた波長選択フィルタ）であって、光ファイバー３０５の途中に設けられており、ＡＳＥ光を吸収し、信号光は透過する特性を有している。
【００５５】
尚、光学系３０２は、光ファイバー３０１からの信号光を半導体光増幅装置２０の入射面に入射させるためのレンズ３０７及び３０８を有している。また、光学系３０４は、半導体光増幅装置２０から出射された信号光を光ファイバー３０５に入射させるためのレンズ３０９及び３１０を有している。
【００５６】
この光モジュールにおいて、図１６に示すように半導体光増幅装置２０は電源となる駆動回路３５２により駆動する。即ち、駆動回路３５２は、半導体光増幅装置２０のアノード電極２８及びカソード電極２９と電気的に接続されており、半導体光増幅装置２０に電流を流すことにより駆動する。
【００５７】
このように半導体光増幅装置２０に電流を流した状態で、光ファイバー３０１より光学系３０２を介し信号光を半導体光増幅装置２０に入射することにより、半導体光増幅装置２０から出射された信号光は、光学系３０４を介し光ファイバー３０５より出力される。尚、前述のとおり、光ファイバー３０５には、途中に波長フィルタ３５１が設けられており、ＡＳＥ光は吸収される。
【００５８】
図１７に、図１５に示す光モジュールに入力する入力信号波形と、出力される出力信号波形を示す。図１７（ａ）は、図１５に示す光モジュールに入力する入力信号波形であり、図１７（ｂ）は、図１５に示す光モジュールより出力される出力信号波形である。図１７（ａ）に示す入力信号は、１０ＧｂｐｓＮＲＺ（Non Return to Zero）変調信号光であり、“１”のレベルにノイズを多く含んだ信号である。半導体光増幅装置２０の飽和光出力程度のレベルまで増幅することにより、半導体光増幅装置２０内の高速な利得飽和効果により、“１”レベルのノイズは強度圧縮され、信号光の品質が改善される「光リミッタアンプ動作」を実現することができる。図１７（ｂ）に示す出力信号波形では、入力信号波形よりもアイパターンが開いており、出力された信号光の品質が改善されていることが確認される。
【００５９】
以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
【００６０】
上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された活性層を有する光導波路と、
前記光導波路に信号光を入射させる端面に形成され、前記信号光を透過し、前記信号光以外の波長の光を反射する波長選択反射膜と、
を有することを特徴とする半導体光増幅装置。
（付記２）
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された活性層を有する光導波路と、
前記光導波路に信号光を入射させる側の前記光導波路の上方又は下方に形成された、、前記信号光を透過し、前記信号光以外の波長の光を反射する回折格子と、
を有することを特徴とする半導体光増幅装置。
（付記３）
前記信号光以外の波長の光は、前記活性層より生じた自然放出光であることを特徴とする付記１又は２に記載の半導体光増幅装置。
（付記４）
前記活性層より前記信号光が出射される端面に形成され、前記信号光及び前記自然放出光以外の波長の光の反射を防止する反射防止膜を更に有することを特徴とする付記１から３のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置。
（付記５）
前記波長選択反射膜は、誘電体多層膜であることを特徴とする付記１、３、４のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置。
（付記６）
前記誘電体多層膜は、酸化物または窒化物を含む第１の屈折率材料と、酸化物または窒化物を含む第２の屈折率材料の積層膜であることを特徴とする付記５に記載の半導体光増幅装置。
（付記７）
前記活性層は、量子井戸構造を有することを特徴とする付記１から６のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置。
（付記８）
前記活性層は、量子ドット活性層であることを特徴とする付記１から６のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置。
（付記９）
前記量子ドット活性層は、ＧａＩｎＡｓＰ内に、ＩｎＡｓの量子ドットが形成されたものであることを特徴とする付記８に記載の半導体光増幅装置。
（付記１０）
前記光導波路の前記信号光を出射する端面において、前記端面に垂直な方向に対し傾いた角度で前記信号光を出射するものであることを特徴とする付記１から９のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置。
（付記１１）
前記信号光の波長のピークは、前記自然放出光の波長のピークよりも長波長であることを特徴とする付記１から１０のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置。
（付記１２）
前記誘電体多層膜は、酸化チタンと酸化シリコンとの積層膜であることを特徴とする付記５に記載の半導体光増幅装置。
（付記１３）
前記誘電体多層膜は、窒化シリコンと酸化シリコンの積層膜であることを特徴とする付記５に記載の半導体光増幅装置。
（付記１４）
前記半導体基板は、ＩｎＰを含むことを特徴とする付記１から１３のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置。
（付記１５）
前記活性層の上方及び下方に形成された一対の電極と、
前記電極に電圧を印加する電源と、
を更に有することを特徴とする付記１から１４のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置。
（付記１６）
付記１から１５のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置と、
前記半導体光増幅装置における前記光導波路に信号光を入射させるための光学素子と、
前記半導体光増幅装置における前記光導波路から出射された信号光を出力するための光学素子と、
を有することを特徴とする光モジュール。
（付記１７）
前記半導体光増幅装置は前記活性層の上方及び下方に形成された一対の電極と、
前記電極に電圧を印加する電源と、を更に有していることを特徴とする付記１６に記載の光モジュール。
（付記１８）
前記半導体光増幅装置からの前記信号光の出射側には、前記信号光の透過率よりも、前記自然放出光の透過率が低い波長選択フィルタを有していることを特徴とする付記１６または１７に記載の光モジュール。
（付記１９）
前記光学素子は、光ファイバーを有するものであることを特徴とする付記１６から１９のいずれか１項に記載の光モジュール。
【符号の説明】
【００６１】
１１ 半導体基板
１２ 活性層
１３ 波長選択反射膜
１４ 反射防止膜
２１ ｎ-ＩｎＰ基板
２２ ｎ-ＩｎＰクラッド層
２３ ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層
２４ ＩｎＧａＡｓ活性層
２５ ＩｎＧａＡｓＰ光閉込層
２６ ｐ-ＩｎＰクラッド層
２７ ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
２８ アノード電極
２９ カソード電極
３０ ｉ-ＩｎＰブロック層
３１ ｉ-ＩｎＰブロック層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された活性層を有する光導波路と、
前記光導波路に信号光を入射させる端面に形成され、前記信号光を透過し、前記信号光以外の波長の光を反射する波長選択反射膜と、
を有することを特徴とする半導体光増幅装置。
【請求項２】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された活性層を有する光導波路と、
前記光導波路に信号光を入射させる側の前記光導波路の上方又は下方に形成された、、前記信号光を透過し、前記信号光以外の波長の光を反射する回折格子と、
を有することを特徴とする半導体光増幅装置。
【請求項３】
前記信号光以外の波長の光は、前記活性層より生じた自然放出光であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体光増幅装置。
【請求項４】
前記活性層より前記信号光が出射される端面に形成され、前記信号光及び前記自然放出光以外の波長の光の反射を防止する反射防止膜を更に有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置。
【請求項５】
前記波長選択反射膜は、誘電体多層膜であることを特徴とする請求項１、３、４のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置。
【請求項６】
前記光導波路の前記信号光を出射する端面において、前記端面に垂直な方向に対し傾いた角度で前記信号光を出射するものであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置。
【請求項７】
前記信号光の波長のピークは、前記自然放出光の波長のピークよりも長波長であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置。
【請求項８】
付記１から７のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置と、
前記半導体光増幅装置における前記光導波路に信号光を入射させるための光学素子と、
前記半導体光増幅装置における前記光導波路から出射された信号光を出力するための光学素子と、
を有することを特徴とする光モジュール。
【請求項９】
前記半導体光増幅装置は前記活性層の上方及び下方に形成された一対の電極と、
前記電極に電圧を印加する電源と、を更に有していることを特徴とする請求項８に記載の光モジュール。
【請求項１０】
前記半導体光増幅装置からの前記信号光の出射側には、前記信号光の透過率よりも、前記自然放出光の透過率が低い波長選択フィルタを有していることを特徴とする付記８または９に記載の光モジュール。
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された活性層を有する光導波路と、
前記光導波路に信号光を入射させる端面に形成され、前記信号光を透過し、前記信号光以外の波長の光を反射する波長選択反射膜と、
を有することを特徴とする半導体光増幅装置。
【請求項２】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された活性層を有する光導波路と、
前記光導波路に信号光を入射させる側の前記光導波路の上方又は下方に形成された、、前記信号光を透過し、前記信号光以外の波長の光を反射する回折格子と、
を有することを特徴とする半導体光増幅装置。
【請求項３】
前記信号光以外の波長の光は、前記活性層より生じた自然放出光であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体光増幅装置。
【請求項４】
前記活性層より前記信号光が出射される端面に形成され、前記信号光及び前記自然放出光以外の波長の光の反射を防止する反射防止膜を更に有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置。
【請求項５】
前記波長選択反射膜は、誘電体多層膜であることを特徴とする請求項１、３、４のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置。
【請求項６】
前記光導波路の前記信号光を出射する端面において、前記端面に垂直な方向に対し傾いた角度で前記信号光を出射するものであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置。
【請求項７】
前記信号光の波長のピークは、前記自然放出光の波長のピークよりも長波長であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置。
【請求項８】
付記１から７のいずれか１項に記載の半導体光増幅装置と、
前記半導体光増幅装置における前記光導波路に信号光を入射させるための光学素子と、
前記半導体光増幅装置における前記光導波路から出射された信号光を出力するための光学素子と、
を有することを特徴とする光モジュール。
【請求項９】
前記半導体光増幅装置は前記活性層の上方及び下方に形成された一対の電極と、
前記電極に電圧を印加する電源と、を更に有していることを特徴とする請求項８に記載の光モジュール。
【請求項１０】
前記半導体光増幅装置からの前記信号光の出射側には、前記信号光の透過率よりも、前記自然放出光の透過率が低い波長選択フィルタを有していることを特徴とする付記８または９に記載の光モジュール。
【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１７】
【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１７】
【公開番号】特開２０１０−２３２４２４（Ｐ２０１０−２３２４２４Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７８３６１（Ｐ２００９−７８３６１）
【出願日】平成２１年３月２７日（２００９．３．２７）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２７日（２００９．３．２７）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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