JP2008034882A - Optical amplification element - Google Patents
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Abstract
【課題】 信号光の導波方向に発振光を混入させることなく、入力光強度による利得変動を抑えることが可能な光増幅素子を提供する。
【解決手段】 入力導波路402、複数の多モード導波路403a〜403cおよび出力導波路404をn−InP基板401上に形成し、入力導波路402および出力導波路404は、InGaAsPをコアとした利得媒質からなるシングルモード導波路から構成するとともに、多モード導波路403a〜403cは、InGaAsPをコアとした利得媒質からなる多モード導波路から構成し、多モード導波路403の両脇に高反射膜409、410を対向配置し、入力信号光411の導波方向と直交する方向に多モード導波路403内でレーザ発振を起こさせながら、入力信号光411を多モード導波路403内に伝搬させることにより、入力信号光411を増幅する。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical amplifying element capable of suppressing a gain fluctuation due to input light intensity without mixing oscillation light in a signal light guiding direction.
An input waveguide 402, a plurality of multimode waveguides 403a to 403c, and an output waveguide 404 are formed on an n-InP substrate 401. The input waveguide 402 and the output waveguide 404 have InGaAsP as a core. The multimode waveguides 403a to 403c are composed of a multimode waveguide composed of a gain medium having InGaAsP as a core, and are highly reflective on both sides of the multimode waveguide 403. The films 409 and 410 are opposed to each other, and the input signal light 411 is propagated in the multimode waveguide 403 while causing laser oscillation in the multimode waveguide 403 in a direction orthogonal to the waveguide direction of the input signal light 411. As a result, the input signal light 411 is amplified.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は光増幅素子に関し、特に、波長分割多重(WDM:Wavelength Division Multiplexing)を利用した光伝送システムに適用して好適なものである。 The present invention relates to an optical amplifying element, and is particularly suitable for application to an optical transmission system using wavelength division multiplexing (WDM).
従来、複数の異なる波長の光信号を伝送する光伝送システムとして、複数の異なる波長の光信号を1本の光ファイバに結合して伝送する波長多重を利用した光伝送システム(WDMシステム)がある。さらに、WDMシステムでは、1対1の伝送のみならず、ネットワーク化が急速に進展している。
このWDMシステムでは、波長に応じて光信号を合流・分岐するWDM合分波回路、全ての波長の光を一括して合流・分岐する合分岐回路、特定の波長を抜き出し、あるいは挿入するアドドロップマルチプレクサ(Add−drop multiplexer、ADM)等の光素子が使用され、光信号がこれらの光素子を通過する際に生じる強度損失のため、信号強度が劣化する。
2. Description of the Related Art Conventionally, as an optical transmission system that transmits a plurality of optical signals having different wavelengths, there is an optical transmission system (WDM system) that uses wavelength multiplexing to transmit a plurality of optical signals having different wavelengths by combining them with one optical fiber. . Further, in the WDM system, not only one-to-one transmission but also networking is rapidly progressing.
In this WDM system, a WDM multiplexing / demultiplexing circuit that merges and branches optical signals according to wavelength, a multiplexing / branching circuit that merges and branches light of all wavelengths at once, and an add / drop that extracts or inserts a specific wavelength An optical element such as a multiplexer (Add-drop multiplexer, ADM) is used, and the signal strength is deteriorated due to an intensity loss caused when an optical signal passes through these optical elements.
このため、WDMシステムでは、光ファイバを伝送する光信号を光のまま増幅する光増幅素子が必要不可欠となっている。
図11(a)は、従来の光増幅素子を光導波方向に沿って切断した断面図、図11(b)は、図11(a)のA−A´線で切断した断面図を示し、従来の光増幅素子(Semiconductor Optical Amplifier:SOA)の例として、n−InP基板101を用いた場合の構造を示す(非特許文献1)。
For this reason, in a WDM system, an optical amplifying element that amplifies an optical signal transmitted through an optical fiber as light is indispensable.
11A is a cross-sectional view of a conventional optical amplifying element cut along the optical waveguide direction, FIG. 11B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. As an example of a conventional optical amplifier (Semiconductor Optical Amplifier: SOA), a structure using an n-InP substrate 101 is shown (Non-Patent Document 1).
図11において、n−InP基板101上には、利得媒質であるInGaAsP活性層102がストライプ状に形成され、InGaAsP活性層102は、p−InP層103およびn−InP層104により埋め込まれている。
そして、InGaAsP活性層102およびn−InP層104上には、p−InP層105が形成され、p−InP層105上にはp−GaInAsコンタクト層106が形成されている。また、p−GaInAsコンタクト層106上にはp側電極107が形成され、n−InP基板101の裏面にはn側電極108が形成されている。
In FIG. 11, an InGaAsP active layer 102 as a gain medium is formed in a stripe shape on an n-InP substrate 101, and the InGaAsP active layer 102 is buried with a p-InP layer 103 and an n-InP layer 104. .
A p-InP layer 105 is formed on the InGaAsP active layer 102 and the n-InP layer 104, and a p-GaInAs contact layer 106 is formed on the p-InP layer 105. A p-side electrode 107 is formed on the p-GaInAs contact layer 106, and an n-side electrode 108 is formed on the back surface of the n-InP substrate 101.
図12は、図11の光増幅素子の飽和特性を示す図である。
図12において、入力光強度が小さい場合、入力光強度が増加しても利得はほぼ一定であるが、入力光強度がある値を超えると、利得は急激に減少する。ここで、WDMシステムでは、光信号として波長多重信号が入射され、その波長多重数は、アドドロップマルチプレクサ等を通過する毎に変動する。
FIG. 12 is a diagram illustrating saturation characteristics of the optical amplifying element in FIG.
In FIG. 12, when the input light intensity is small, the gain is almost constant even when the input light intensity increases, but when the input light intensity exceeds a certain value, the gain decreases rapidly. Here, in the WDM system, a wavelength multiplexed signal is incident as an optical signal, and the number of wavelength multiplexed signals varies every time it passes through an add drop multiplexer or the like.
今、波長多重数mの光信号が光増幅素子に入射したとものする。この場合、光増幅素子の入射光強度がm波合計でP1(dBm)になると、光増幅素子の利得はG1(dBm)になる。
ここで、アドドロップマルチプレクサにより光信号が追加されて、波長多重数がnに増加したとする。この場合、光増幅素子の入射光強度がn波合計でP2(dBm)になると、光増幅素子の利得はG2(dB)になる。
It is assumed that an optical signal having a wavelength multiplexing number m is incident on the optical amplifying element. In this case, when the incident light intensity of the optical amplifying element is P 1 (dBm) in total for m waves, the gain of the optical amplifying element is G 1 (dBm).
Here, it is assumed that an optical signal is added by the add / drop multiplexer and the wavelength multiplexing number is increased to n. In this case, when the incident light intensity of the optical amplifying element is P 2 (dBm) in total for n waves, the gain of the optical amplifying element is G 2 (dB).
このように、図11の光増幅素子をWDMシステムに用いた場合、波長多重数により入射光強度が異なるようになるため、光信号の利得が変動する。このため、従来の光増幅器では、特許文献1に開示されているように、波長多重数により光信号の利得が変動することを防止するため、発振作用を利用することで利得をある一定値にクランプする方法を用いたものがあった。 As described above, when the optical amplifying element of FIG. 11 is used in a WDM system, the intensity of incident light varies depending on the number of wavelength multiplexing, and the gain of the optical signal varies. For this reason, in the conventional optical amplifier, as disclosed in Patent Document 1, in order to prevent the gain of the optical signal from fluctuating due to the number of wavelength multiplexing, the gain is set to a certain value by using the oscillation action. Some used a clamping method.
図13(a)は、従来の光増幅素子を光導波方向に沿って切断した断面図、図13(b)は、図13(a)のC−C´線で切断した断面図である。
図13において、n−InP基板201上には、利得媒質であるInGaAsP活性層202がストライプ状に形成され、InGaAsP活性層202は、p−InP層203およびn−InP層204により埋め込まれている。
13A is a cross-sectional view of a conventional optical amplifying element cut along the optical waveguide direction, and FIG. 13B is a cross-sectional view taken along the line CC ′ of FIG. 13A.
In FIG. 13, an InGaAsP active layer 202 that is a gain medium is formed in a stripe shape on an n-InP substrate 201, and the InGaAsP active layer 202 is buried with a p-InP layer 203 and an n-InP layer 204. .
ここで、InGaAsP活性層202の下面には、InGaAsP分離閉じ込め(SCH)層209が形成されるとともに、InGaAsP活性層202の上面には、InGaAsP分離閉じ込め(SCH)層210が形成され、InGaAsP分離閉じ込め層210にはグレーティングが形成されている。そして、InGaAsP分離閉じ込め層210およびn−InP層204上にはp−InP層205が形成され、p−InP層205上にはp−GaInAsコンタクト層206が形成されている。また、p−GaInAsコンタクト層206上にはp側電極207が形成され、n−InP基板201の裏面にはn側電極208が形成されている。 Here, an InGaAsP isolation and confinement (SCH) layer 209 is formed on the lower surface of the InGaAsP active layer 202, and an InGaAsP isolation and confinement (SCH) layer 210 is formed on the upper surface of the InGaAsP active layer 202. A grating is formed on the layer 210. A p-InP layer 205 is formed on the InGaAsP separation confinement layer 210 and the n-InP layer 204, and a p-GaInAs contact layer 206 is formed on the p-InP layer 205. A p-side electrode 207 is formed on the p-GaInAs contact layer 206, and an n-side electrode 208 is formed on the back surface of the n-InP substrate 201.
図13の光増幅素子では、InGaAsP分離閉じ込め層210に形成されているグレーティングにより光信号が反射されるため正帰還がかかり、DFBレーザのように発振させることができる。ただし、グレーティングの結合係数は通常のDFBレーザよりも小さくなっており、発振しきい値は高くなっている。
図13の光増幅素子のレーザ発振状態では、利得媒質でのキャリア密度は一定値にクランプされるが、発振しきい値が高いため、キャリア密度は通常のDFBレーザよりも高い値にクランプされる。
In the optical amplifying element of FIG. 13, since an optical signal is reflected by the grating formed in the InGaAsP separation confinement layer 210, positive feedback is applied and oscillation can be performed like a DFB laser. However, the coupling coefficient of the grating is smaller than that of a normal DFB laser, and the oscillation threshold is high.
In the laser oscillation state of the optical amplifying element in FIG. 13, the carrier density in the gain medium is clamped to a constant value, but since the oscillation threshold is high, the carrier density is clamped to a value higher than that of a normal DFB laser. .
このため、図6のグレーティングを有するDFB型光増幅素子では、発振が生じている限り、その利得媒質(InGaAsP活性層202)のキャリア密度は一定となり、利得は利得媒質のキャリア密度に比例するため、利得を一定値にクランプさせることができる。
従って、上述した発振状態では、光増幅素子に注入する電流値を増加させても、発振光の光強度が増大するだけで、光増幅素子の利得を一定に保つことができる。そして、入力信号光強度が大きくなった場合、発振光強度が減少して、光増幅素子内部でのトータルの光強度が一定に保たれるため、光増幅素子のキャリア密度に変動が生じることがなく、光増幅素子の利得を一定に保つことができる。
Therefore, in the DFB type optical amplifying element having the grating of FIG. 6, the carrier density of the gain medium (InGaAsP active layer 202) is constant as long as oscillation occurs, and the gain is proportional to the carrier density of the gain medium. The gain can be clamped to a constant value.
Therefore, in the oscillation state described above, even if the current value injected into the optical amplifying element is increased, the gain of the optical amplifying element can be kept constant only by increasing the light intensity of the oscillation light. When the input signal light intensity increases, the oscillation light intensity decreases and the total light intensity inside the optical amplifying element is kept constant, so that the carrier density of the optical amplifying element may fluctuate. Therefore, the gain of the optical amplifying element can be kept constant.
図14は、図13の光増幅素子の飽和特性を示す図である。
図14において、図13の光増幅素子では、外部から入射された信号光の入力光強度が変動しても、利得は一定値Goに保たれる。すなわち、信号光の波長多重数がmからnに変化し、合計入力パワーがP1からP2に変化した場合においても、利得はGoで一定値となる。
FIG. 14 is a diagram illustrating saturation characteristics of the optical amplifying element in FIG.
14, in the optical amplifying element of FIG. 13, even when the input light intensity of signal light incident from the outside fluctuates, the gain is maintained at a constant value Go. That is, even when the wavelength multiplexing number of the signal light is changed from m to n and the total input power is changed from P 1 to P 2 , the gain is a constant value of Go.
また、図13の光増幅素子では、外部からの入射光強度がさらに増大し、発振が抑圧された場合に限り、利得が低下する。逆に、図13の光増幅素子で発振が生じている限り、入射光強度あるいは入射信号の波長多重数によらず、利得を一定に保つことができる。
しかしながら、図13のDFB型光増幅素子を用いた場合、発振光が信号光と同一光路に混入するため、この混入した発振光を除去するための波長フィルタが必要になるという問題があった。
さらに、図13のDFB型光増幅素子では、発振光強度が非常に強いため、入射信号強度が小さいと、通常の波長フィルタを用いた場合においても、信号光と同程度の強度で発振光が残留するという問題があった。
そこで、本発明の目的は、信号光の導波方向に発振光を混入させることなく、入力光強度による利得変動を抑えることが可能な光増幅素子を提供することである。
However, when the DFB type optical amplifying element of FIG. 13 is used, since the oscillation light is mixed in the same optical path as the signal light, there is a problem that a wavelength filter for removing the mixed oscillation light is necessary.
Further, since the DFB type optical amplifying element of FIG. 13 has a very strong oscillation light intensity, if the incident signal intensity is small, the oscillation light can be emitted with the same intensity as the signal light even when a normal wavelength filter is used. There was a problem of remaining.
Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical amplifying element capable of suppressing gain fluctuation due to input light intensity without mixing oscillation light in the waveguide direction of signal light.
上述した課題を解決するために、請求項1記載の光増幅素子によれば、単一モードの光を導波させる入力導波路と、少なくとも1つが前記入力導波路に光学的に結合され、複数モードの光を導波させるとともに、少なくとも一部に利得媒質を含むように構成された複数の多モード導波路と、前記多モード導波路の少なくとも1つが光学的に結合され、単一モードの光を導波させる出力導波路と、前記利得媒質から放射される自然放出光を反射させることにより、前記入力導波路を介して前記多モード導波路に入射された光の伝搬方向と交差する方向に発振を起こさせる反射領域とを備え、前記反射領域には高反射膜が形成され、前記入力導波路および前記入力導波路の端面には反射防止膜が形成され、前記多モード導波路の長さをそれぞれLi、幅をそれぞれWi、前記高反射膜の反射率をRH、反射防止膜の反射率をRARとすると、
In order to solve the above-described problem, according to the optical amplifying element according to claim 1, at least one of the input waveguide for guiding single-mode light and the input waveguide is optically coupled, and A plurality of multi-mode waveguides configured to guide mode light and include at least a portion of a gain medium, and at least one of the multi-mode waveguides is optically coupled to form single-mode light. By reflecting the spontaneous emission light radiated from the gain medium and the output waveguide that guides the multimode waveguide through the input waveguide in a direction that intersects the propagation direction of the light incident on the multimode waveguide A reflection region that causes oscillation, a high reflection film is formed in the reflection region, an antireflection film is formed on an end surface of the input waveguide and the input waveguide, and the length of the multimode waveguide Each L i , width is W i , reflectance of the high reflection film is R H , and reflectance of the antireflection film is R AR .
これにより、信号光の導波方向と異なる方向に導波する発振光を多モード導波路で生成させることを可能としつつ、多モード導波路での発振作用により信号光の利得をクランプさせることが可能となるとともに、多モード導波路全体の長さを長くすることを可能として、クランプ利得を稼ぐことが可能となる。このため、出力導波路から出射される増幅光に発振光が混入することを防止しつつ、発振により利得がクランプされた利得媒質内で、入力信号光を増幅させることが可能となるとともに、駆動電流を低減させることができる。この結果、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となる。 As a result, it is possible to generate oscillation light that is guided in a direction different from the waveguide direction of the signal light by the multimode waveguide, and to clamp the gain of the signal light by the oscillation action in the multimode waveguide. As a result, it is possible to increase the overall length of the multi-mode waveguide, thereby increasing the clamp gain. For this reason, it is possible to amplify the input signal light in the gain medium whose gain is clamped by oscillation while preventing the oscillation light from being mixed into the amplified light emitted from the output waveguide, and driving. The current can be reduced. As a result, it is possible to eliminate the need for a wavelength filter or an optical waveguide for separating the signal light and the oscillation light, and it is possible to suppress a gain variation due to the input light intensity while suppressing an increase in element size.
また、請求項2記載の光増幅素子によれば、単一モードの光を導波させるように構成され、前記多モード導波路間を接続する接続導波路を備えることを特徴とする。
これにより、多モード導波路同士を低損失で互いに結合させることができ、多モード導波路の配置の自由度を確保しつつ、多モード導波路全体の長さを長くすることができる。
また、請求項3記載の光増幅素子によれば、幅が互いに異なる多モード導波路が直接接続されていることを特徴とする。
また、請求項4記載の光増幅素子によれば、前記入力導波路、前記出力導波路または前記接続導波路のいずれか少なくともひとつは、信号光の波長に対して透明な材質をコアとしたシングルモード導波路から構成されていることを特徴とする。
これにより、多モード導波路にて増幅された信号光が接続導波路または出力導波路に集光された状態で入射したために、光パワー密度が高くなった場合においても、利得飽和による波形劣化を防止することができる。
According to another aspect of the present invention, there is provided an optical amplifying element comprising a connection waveguide configured to guide single mode light and connecting the multimode waveguides.
As a result, the multimode waveguides can be coupled to each other with low loss, and the length of the entire multimode waveguide can be increased while ensuring the degree of freedom of arrangement of the multimode waveguides.
According to another aspect of the present invention, multimode waveguides having different widths are directly connected.
According to the optical amplifying element of claim 4, at least one of the input waveguide, the output waveguide, and the connection waveguide is a single core having a material transparent to the wavelength of the signal light. It is characterized by comprising a mode waveguide.
As a result, even when the optical power density is high because the signal light amplified in the multimode waveguide is incident on the connecting waveguide or the output waveguide, the waveform deterioration due to gain saturation is prevented. Can be prevented.
また、請求項5記載の光増幅素子によれば、少なくとも2個の多モード導波路の導波路幅が互いに異なることを特徴とする。
これにより、多モード導波路ごとに注入キャリア密度を変化させることが可能となる。このため、利得を稼ぎながら、飽和出力パワーを増大させたり、NF(ノイズフィギュア)を向上させたりすることができ、光増幅素子の用途に応じて様々な動作状態を実現することができる。
また、請求項6記載の光増幅素子によれば、少なくとも2個の多モード導波路に独立に電流を注入する電流注入手段をさらに備えることを特徴とする。
これにより、多モード導波路ごとに注入電流密度を独立に制御することが可能となり、多モード導波路ごとに導波路幅が互いに異なる場合においても、光増幅素子を効率よく駆動することができる。
In addition, according to the optical amplifying element described in claim 5, the waveguide widths of at least two multimode waveguides are different from each other.
This makes it possible to change the injected carrier density for each multimode waveguide. For this reason, it is possible to increase the saturated output power or improve the NF (noise figure) while gaining gain, and it is possible to realize various operation states depending on the use of the optical amplification element.
The optical amplifier according to claim 6 further includes a current injection means for injecting current independently into at least two multimode waveguides.
As a result, the injection current density can be independently controlled for each multimode waveguide, and the optical amplifying element can be efficiently driven even when the waveguide widths are different for each multimode waveguide.
また、請求項7記載の光増幅素子によれば、前記入力導波路、前記多モード導波路および前記出力導波路は導波路中心軸が互いに一致するように同一基板上に並べて配置され、前記反射領域は前記多モード導波路の両脇に対向配置されていることを特徴とする。
これにより、入力導波路、多モード導波路および出力導波路を低損失で結合することが可能となるとともに、信号光の伝搬方向と直交する方向に発振を起こさせることが可能となる。このため、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となるとともに、出力導波路から出射される増幅光に発振光が混入することを防止することができる。
In the optical amplifying device according to claim 7, the input waveguide, the multimode waveguide, and the output waveguide are arranged side by side on the same substrate so that waveguide center axes coincide with each other, and the reflection The region is disposed opposite to both sides of the multimode waveguide.
As a result, the input waveguide, the multimode waveguide, and the output waveguide can be coupled with low loss, and oscillation can be caused in a direction orthogonal to the propagation direction of the signal light. For this reason, it is possible to suppress the gain fluctuation due to the input light intensity while suppressing the increase in the element size, and it is possible to prevent the oscillation light from being mixed into the amplified light emitted from the output waveguide.
また、請求項8記載の光増幅素子によれば、前記入力導波路、前記多モード導波路および前記出力導波路は互いに共通の利得媒質から構成されるコアを備え、前記多モード導波路の前記コアの幅が前記入力導波路および前記出力導波路の前記コアの幅より広いことを特徴とする。
これにより、入力導波路、多モード導波路および出力導波路を同一工程内で一括形成することが可能となり、製造工程の増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となるとともに、出力導波路から出射される増幅光に発振光が混入することを防止することができる。
Further, according to the optical amplifying element according to claim 8, the input waveguide, the multimode waveguide, and the output waveguide include a core composed of a common gain medium, and the multimode waveguide has the core. The width of the core is wider than the width of the core of the input waveguide and the output waveguide.
As a result, the input waveguide, the multimode waveguide, and the output waveguide can be collectively formed in the same process, and the gain fluctuation due to the input light intensity can be suppressed while suppressing an increase in the manufacturing process. In addition, it is possible to prevent the oscillation light from being mixed into the amplified light emitted from the output waveguide.
また、請求項9記載の光増幅素子によれば、少なくとも2個の多モード導波路のち、i番目の多モード導波路の長さをLi、幅をWi、屈折率をneqi、信号光波長をλとすると、Li=mi・neqi・Wi 2/λ(ただし、miは正の整数)であることを特徴とする。
これにより、自己結合効果を発現させることを可能としつつ、多モード導波路の長さを長くすることを可能として、クランプ利得を稼ぐことが可能となる。このため、注入電流密度を一定に保ちつつ、多モード導波路のサイズを小さくすることが可能となり、出力導波路の基本モードに信号光を低損失で結合させることを可能としつつ、駆動電流を低減させることができる。
According to the optical amplifying element of claim 9, the length of the i-th multi-mode waveguide among the at least two multi-mode waveguides is L i , the width is W i , the refractive index is n eqi , the signal When the optical wavelength is λ, L i = m i · n eqi · W i 2 / λ (where m i is a positive integer).
As a result, it is possible to increase the length of the multimode waveguide while allowing the self-coupling effect to be exhibited, and to increase the clamp gain. Therefore, it is possible to reduce the size of the multimode waveguide while keeping the injection current density constant, and it is possible to couple the signal light to the fundamental mode of the output waveguide with low loss while reducing the driving current. Can be reduced.
また、請求項10記載の光増幅素子によれば、前記多モード導波路のコアの一部を構成し、前記多モード導波路よりも幅が広くなるように前記反射領域の方向に延伸され、信号光波長に対して透明な透明層をさらに備えることを特徴とする。
これにより、発振光に対するコアを反射領域まで延伸することができ、キャビティ内における発振光の損失を減少させることが可能となる。このため、多モード導波路内で発振光を効率よくフィードバックさせることが可能となり、反射領域の反射率に対する要求を緩和することができる。
Further, according to the optical amplifying element according to claim 10, a part of the core of the multimode waveguide is configured, and is extended in the direction of the reflection region so as to be wider than the multimode waveguide. A transparent layer transparent to the signal light wavelength is further provided.
Thereby, the core for the oscillation light can be extended to the reflection region, and the loss of the oscillation light in the cavity can be reduced. For this reason, it becomes possible to efficiently feed back the oscillation light in the multimode waveguide, and the requirement for the reflectance of the reflection region can be relaxed.
また、請求項11記載の光増幅素子によれば、前記反射領域は、前記多モード導波路の側壁に形成された誘電体多層膜または金属膜を備えることを特徴とする。
これにより、入力導波路、多モード導波路および出力導波路が形成された基板上に反射領域を一体的に形成することが可能となり、素子サイズの増大を抑制しつつ、信号光の導波方向と異なる方向に発振光を導波させることができる。
According to an optical amplification element of an eleventh aspect, the reflection region includes a dielectric multilayer film or a metal film formed on a side wall of the multimode waveguide.
As a result, it is possible to integrally form a reflection region on the substrate on which the input waveguide, the multimode waveguide, and the output waveguide are formed, and to suppress the increase in element size, while guiding the signal light. The oscillation light can be guided in a different direction.
以上説明したように、本発明によれば、多モード導波路に入射された光の伝搬方向と交差する方向に発振を起こさせる反射領域を設けることにより、出力導波路から出射される増幅光に発振光が混入することを防止しつつ、発振により利得がクランプされた利得媒質内で、入力信号光を増幅させることが可能となる。このため、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となる。 As described above, according to the present invention, by providing a reflection region that causes oscillation in a direction crossing the propagation direction of the light incident on the multimode waveguide, the amplified light emitted from the output waveguide is provided. It is possible to amplify the input signal light in the gain medium whose gain is clamped by oscillation while preventing the oscillation light from being mixed. For this reason, a wavelength filter or an optical waveguide for separating the signal light and the oscillation light can be dispensed with, and the gain fluctuation due to the input light intensity can be suppressed while suppressing an increase in the element size.
以下、本発明の実施形態に係る光増幅素子について図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す平面図である。
図1において、n−InP基板401上には、多モード導波路403aに接続され、入力信号光411を入力する入力導波路402、信号光を導波させる複数の多モード導波路403a〜403c、多モード導波路403a、403bを互いに接続する接続導波路413a、多モード導波路403b、403cを互いに接続する接続導波路413b、多モード導波路403cに接続され、出力信号光412を出力する出力導波路404が形成されている。
Hereinafter, an optical amplifying element according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of the optical amplifying element according to the first embodiment of the present invention.
In FIG. 1, on an n-InP substrate 401, an input waveguide 402 that is connected to a multimode waveguide 403a and receives input signal light 411, and a plurality of multimode waveguides 403a to 403c that guide signal light, An output waveguide that connects the multimode waveguides 403a and 403b to each other, a connection waveguide 413b that connects the multimode waveguides 403b and 403c to each other, and a multimode waveguide 403c that outputs the output signal light 412. A waveguide 404 is formed.
ここで、入力導波路402および出力導波路404は、InGaAsPをコアとした利得媒質からなるシングルモード導波路から構成することができ、多モード導波路403a〜403cは、InGaAsPをコアとした利得媒質からなる多モード導波路から構成することができ、接続導波路413a、413bは、InGaAsPをコアとした利得媒質からなるシングルモード導波路から構成することができる。また、入力導波路402、多モード導波路403a〜403c、接続導波路413a、413bおよび出力導波路404は導波路中心軸が互いに一致するようにn−InP基板401上に並べて配置することができる。また、各多モード導波路403a〜403cの長さLは、各多モード導波路403〜403cの幅をW、各多モード導波路403a〜403cの縦方向(基板垂直方向)の等価屈折率をneq、入力信号光411の波長をλとすると、
L=m・neq・W2/λ ・・・(1)
の関係を満たすように設定することができる。ただし、mは正の整数である。なお、以下の説明では、(1)式の関係を満たす各多モード導波路403a〜403cの長さLをLMMIとする。ここで、各多モード導波路403a〜403cの長さLMMIは、各多モード導波路403a〜403cにおいて、光が最初にスポット状に集光されるまでの長さを示している。また、多モード干渉では、長さLMMIごとに周期的にスポットが形成されるため、(1)式では、その整数倍を各多モード導波路403a〜403cの長さとして用いることを示している。
Here, the input waveguide 402 and the output waveguide 404 can be constituted by a single mode waveguide made of a gain medium having InGaAsP as a core, and the multimode waveguides 403a to 403c are gain media having InGaAsP as a core. The connection waveguides 413a and 413b can be formed of a single mode waveguide made of a gain medium having InGaAsP as a core. Further, the input waveguide 402, the multimode waveguides 403a to 403c, the connection waveguides 413a and 413b, and the output waveguide 404 can be arranged side by side on the n-InP substrate 401 so that the waveguide center axes coincide with each other. . Further, the length L of each of the multimode waveguides 403a to 403c is set so that the width of each of the multimode waveguides 403 to 403c is W, and the equivalent refractive index in the vertical direction (substrate vertical direction) of each of the multimode waveguides 403a to 403c. n eq , where λ is the wavelength of the input signal light 411,
L = m · n eq · W 2 / λ (1)
It can be set to satisfy the relationship. However, m is a positive integer. In the following description, the length L of each of the multimode waveguides 403a to 403c that satisfies the relationship of the expression (1) is L MMI . Here, the length L MMI of each of the multimode waveguides 403a to 403c indicates the length until light is first condensed in a spot shape in each of the multimode waveguides 403a to 403c. Further, in multimode interference, spots are periodically formed for each length L MMI , and therefore, the equation (1) indicates that an integral multiple of the length is used as the length of each of the multimode waveguides 403a to 403c. Yes.
また、入力導波路402側のn−InP基板401の端面405には反射防止膜407が形成されるとともに、出力導波路404側のn−InP基板401の端面406には反射防止膜408が形成されている。さらに、多モード導波路403の両脇には、高反射膜409、410が対向配置されている。ここで、高反射膜409、410は、多モード導波路403の側壁に形成された誘電体多層膜または金属膜を用いることができる。 Further, an antireflection film 407 is formed on the end face 405 of the n-InP substrate 401 on the input waveguide 402 side, and an antireflection film 408 is formed on the end face 406 of the n-InP substrate 401 on the output waveguide 404 side. Has been. Further, on both sides of the multimode waveguide 403, highly reflective films 409 and 410 are disposed to face each other. Here, as the highly reflective films 409 and 410, a dielectric multilayer film or a metal film formed on the side wall of the multimode waveguide 403 can be used.
そして、入力導波路402に入射した入力信号光411は、入力導波路402を伝搬して多モード導波路403aに入射される。そして、入力信号光411が多モード導波路403aに入射すると、入力信号光411は多モード導波路403aにおける固有モードに展開される。すなわち、入力導波路402の基本伝搬モードと多モード導波路403aの複数の伝搬モードとの重なり積分に比例したパワー分布で多モード導波路403a内の複数の伝搬モードが励振される。そして、多モード導波路403a内で励振された各モードは、それぞれの伝搬定数により決定される位相条件で多モード導波路403a内を伝搬する。 The input signal light 411 that has entered the input waveguide 402 propagates through the input waveguide 402 and enters the multimode waveguide 403a. When the input signal light 411 enters the multimode waveguide 403a, the input signal light 411 is developed into the eigenmode in the multimode waveguide 403a. That is, the plurality of propagation modes in the multimode waveguide 403a are excited with a power distribution proportional to the overlap integral between the fundamental propagation mode of the input waveguide 402 and the plurality of propagation modes of the multimode waveguide 403a. Each mode excited in the multimode waveguide 403a propagates in the multimode waveguide 403a under a phase condition determined by the respective propagation constant.
そして、多モード導波路403a内を伝搬した信号光は接続導波路413aに入射し、接続導波路413aを伝搬した後、多モード導波路403bに入射する。そして、多モード導波路403bに入射した信号光は、多モードに展開されながら多モード導波路403bを伝搬し、接続導波路413bに入射する。そして、接続導波路413bに入射した信号光は、接続導波路413bを伝搬した後、多モード導波路403cに入射し、多モードに展開されながら多モード導波路403cを伝搬する。そして、多モード導波路403cを伝搬した信号光は、出力導波路404に入射し、出力導波路404を伝搬した後、出力
信号光412として端面406から出射される。
The signal light propagated in the multimode waveguide 403a enters the connection waveguide 413a, propagates through the connection waveguide 413a, and then enters the multimode waveguide 403b. Then, the signal light incident on the multimode waveguide 403b propagates through the multimode waveguide 403b while being developed in multimode, and enters the connection waveguide 413b. Then, the signal light incident on the connection waveguide 413b propagates through the connection waveguide 413b, then enters the multimode waveguide 403c, and propagates through the multimode waveguide 403c while being developed in multimode. Then, the signal light that has propagated through the multimode waveguide 403 c enters the output waveguide 404, propagates through the output waveguide 404, and then exits from the end face 406 as output signal light 412.
ここで、各多モード導波路403a〜403c内において、光がある距離だけ伝搬すると、各モードの光の位相が各多モード導波路403a〜403c内で互いに強め合う状態となり、1つまたは複数のスポットに集光されることがある。この現象は、自己結像効果(self−imaging effect)として知られている。 Here, when light propagates for a certain distance in each multimode waveguide 403a to 403c, the phase of light in each mode is intensified in each multimode waveguide 403a to 403c, and one or more It may be focused on the spot. This phenomenon is known as a self-imaging effect.
ここで、(1)式の関係を満たすように、各多モード導波路403a〜403cの長さLをLMMIに設定することにより、各多モード導波路403a〜403c内を伝搬する信号光を1つのスポットに集光させることができる。これにより、各多モード導波路403a〜403c内で自己結像効果を起こさせることが可能となり、各多モード導波路403a〜403c内を伝搬した信号光を、接続導波路413a、413bおよび出力導波路404の基本モードにそれぞれ結合させることができる。このため、複数の伝搬モードを各多モード導波路403a〜403c内で励振させた場合においても、各多モード導波路403a〜403cと接続導波路413a、413bおよび出力導波路404との間の結合損失を低減させることができる。 Here, to satisfy the equation (1) relationship, by setting the length L of each multimode waveguide 403a~403c the L MMI, the signal light propagating in the multimode waveguide 403a~403c The light can be condensed into one spot. As a result, a self-imaging effect can be caused in each of the multimode waveguides 403a to 403c, and the signal light propagated in each of the multimode waveguides 403a to 403c is connected to the connection waveguides 413a and 413b and the output waveguide. Each can be coupled to the fundamental mode of the waveguide 404. For this reason, even when a plurality of propagation modes are excited in the multimode waveguides 403a to 403c, the coupling between the multimode waveguides 403a to 403c, the connection waveguides 413a and 413b, and the output waveguide 404 is performed. Loss can be reduced.
また、入力導波路402、多モード導波路403a〜403c、接続導波路413a、413bおよび出力導波路404のコアは利得媒質を含むため、入力信号光411は、入力導波路402、多モード導波路403a〜403c、接続導波路413a、413bおよび出力導波路404を伝搬するに従って増幅され、増幅された出力信号光412を得ることができる。 In addition, since the cores of the input waveguide 402, the multimode waveguides 403a to 403c, the connection waveguides 413a and 413b, and the output waveguide 404 include a gain medium, the input signal light 411 is input to the input waveguide 402 and the multimode waveguide. 403a to 403c, connection waveguides 413a and 413b, and output waveguide 404 are amplified as they propagate through output waveguide 404, and an amplified output signal light 412 can be obtained.
一方、各多モード導波路403a〜403cにて生成された自然放出光は四方八方に放出され、各多モード導波路403a〜403cの両脇の高反射膜409、410にて反射させることにより、入力信号光411の導波方向と直交する方向にレーザ発振を起こさせることができる。そして、入力信号光411の導波方向と直交する方向にレーザ発振が起こると、各多モード導波路403a〜403cに入射された信号光の強度が変動した場合においても、各多モード導波路403a〜403cのキャリア密度を一定に保つことができ、光増幅素子の利得を一定値にクランプさせることができる。 On the other hand, spontaneous emission light generated in each of the multimode waveguides 403a to 403c is emitted in all directions and reflected by the high reflection films 409 and 410 on both sides of each of the multimode waveguides 403a to 403c, Laser oscillation can be caused in a direction orthogonal to the waveguide direction of the input signal light 411. When laser oscillation occurs in a direction orthogonal to the waveguide direction of the input signal light 411, even when the intensity of the signal light incident on the multimode waveguides 403a to 403c varies, each multimode waveguide 403a. The carrier density of ˜403c can be kept constant, and the gain of the optical amplifying element can be clamped to a constant value.
このため、出力導波路404から出射される増幅光に発振光が混入することを防止しつつ、発振により利得がクランプされた利得媒質内で、入力信号光411を増幅させることが可能となる。この結果、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となる。
また、複数の多モード導波路403a〜403cを多段接続することにより、多モード導波路403a〜403c全体の長さを長くすることを可能として、クランプ利得を稼ぐことが可能となり、駆動電流を低減させることができる。
For this reason, it is possible to amplify the input signal light 411 in the gain medium whose gain is clamped by oscillation while preventing the oscillation light from being mixed into the amplified light emitted from the output waveguide 404. As a result, it is possible to eliminate the need for a wavelength filter or an optical waveguide for separating the signal light and the oscillation light, and it is possible to suppress a gain variation due to the input light intensity while suppressing an increase in element size.
Further, by connecting a plurality of multi-mode waveguides 403a to 403c in multiple stages, it is possible to increase the overall length of the multi-mode waveguides 403a to 403c, increase the clamp gain, and reduce the drive current. Can be made.
図2は、図1のA−A´線で切断した光増幅素子の構成例を示す断面図である。
図2において、図1の多モード導波路403aでは、InGaAsP活性層502がストライプ状にn−InP基板501上に形成されている。なお、InGaAsP活性層502の幅は、複数モードの光が伝搬されるように設定することができ、多モード導波路403のInGaAsP活性層502の幅は、例えば、20μmに設定することができる。そして、InGaAsP活性層502の両側は、n−InP基板501上に順次積層されたp−InP電流ブロック層503およびn−InP電流ブロック層504にて埋め込まれている。ここで、p−InP電流ブロック層503およびn−InP電流ブロック層504にてInGaAsP活性層502の両側を埋め込むことにより、埋め込みヘテロ構造を構成することができる。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the optical amplifying element cut along line AA ′ in FIG. 1.
In FIG. 2, in the multimode waveguide 403a of FIG. 1, an InGaAsP active layer 502 is formed on an n-InP substrate 501 in a stripe shape. Note that the width of the InGaAsP active layer 502 can be set so that light of a plurality of modes is propagated, and the width of the InGaAsP active layer 502 of the multimode waveguide 403 can be set to 20 μm, for example. Both sides of the InGaAsP active layer 502 are buried with a p-InP current blocking layer 503 and an n-InP current blocking layer 504 that are sequentially stacked on the n-InP substrate 501. Here, by embedding both sides of the InGaAsP active layer 502 with the p-InP current blocking layer 503 and the n-InP current blocking layer 504, a buried heterostructure can be configured.
そして、InGaAsP活性層502およびn−InP電流ブロック層504上には、p−InPクラッド層505が形成されている。ここで、n−InP基板501とp−InPクラッド層505との間にInGaAsP活性層502を形成することにより、InGaAsP活性層502をコアとした利得媒質からなる多モード導波路403aを構成することができる。 A p-InP cladding layer 505 is formed on the InGaAsP active layer 502 and the n-InP current block layer 504. Here, by forming the InGaAsP active layer 502 between the n-InP substrate 501 and the p-InP cladding layer 505, a multimode waveguide 403a made of a gain medium having the InGaAsP active layer 502 as a core is formed. Can do.
そして、p−InPクラッド層505上にはp−GaInAsコンタクト層506が形成されている。また、p−GaInAsコンタクト層506上にはp側電極507が形成され、n−InP基板501の裏面にはn側電極508が形成されている。また、p−InP電流ブロック層503およびn−InP電流ブロック層504にて埋め込まれたInGaAsP活性層502はメサ状にエッチングされ、p−InP電流ブロック層503、n−InP電流ブロック層504、p−InPクラッド層505およびp−GaInAsコンタクト層506の側壁が露出されている。そして、p−InP電流ブロック層503、n−InP電流ブロック層504、p−InPクラッド層505およびp−GaInAsコンタクト層506の側壁には、入力信号光411の伝搬方向に沿うようにして高反射膜509、510が形成されている。なお、高反射膜509、510としては、例えば、TiO2、SiO2などの誘電体多層膜またはAuなどの金属膜を用いることができる。なお、図1の多モード導波路403b、403cも同様の構成をとることができる。 A p-GaInAs contact layer 506 is formed on the p-InP cladding layer 505. A p-side electrode 507 is formed on the p-GaInAs contact layer 506, and an n-side electrode 508 is formed on the back surface of the n-InP substrate 501. In addition, the InGaAsP active layer 502 embedded in the p-InP current blocking layer 503 and the n-InP current blocking layer 504 is etched in a mesa shape, and the p-InP current blocking layer 503, the n-InP current blocking layer 504, p The side walls of the InP cladding layer 505 and the p-GaInAs contact layer 506 are exposed. The side walls of the p-InP current blocking layer 503, the n-InP current blocking layer 504, the p-InP cladding layer 505, and the p-GaInAs contact layer 506 are highly reflective along the propagation direction of the input signal light 411. Films 509 and 510 are formed. As the highly reflective films 509 and 510, for example, a dielectric multilayer film such as TiO 2 or SiO 2 or a metal film such as Au can be used. The multimode waveguides 403b and 403c in FIG. 1 can have the same configuration.
一方、入力導波路402、接続導波路413a、413bおよび出力導波路404のB−B´線で切断した構成は、入力導波路402、接続導波路413a、413bおよび出力導波路404のInGaAsP活性層502の幅が、多モード導波路403a〜403cのInGaAsP活性層502の幅と異なることを除けば、多モード導波路403a〜403cと同様の構成をとることができる。すなわち、入力導波路402、接続導波路413a、413bおよび出力導波路404のInGaAsP活性層502の幅は、単一モードの光が伝搬されるように設定され、入力導波路402、接続導波路413a、413bおよび出力導波路404のInGaAsP活性層502の幅は、例えば、0.8μmに設定することができる。 On the other hand, the configuration of the input waveguide 402, the connection waveguides 413a and 413b, and the output waveguide 404 cut along the line BB 'is the InGaAsP active layer of the input waveguide 402, the connection waveguides 413a and 413b, and the output waveguide 404. Except for the fact that the width of 502 is different from the width of the InGaAsP active layer 502 of the multimode waveguides 403a to 403c, the same configuration as that of the multimode waveguides 403a to 403c can be adopted. That is, the widths of the InGaAsP active layers 502 of the input waveguide 402, the connection waveguides 413a and 413b, and the output waveguide 404 are set so that single-mode light propagates, and the input waveguide 402 and the connection waveguide 413a. The width of the InGaAsP active layer 502 of 413b and the output waveguide 404 can be set to 0.8 μm, for example.
なお、InGaAsP活性層502、p−InP電流ブロック層503、n−InP電流ブロック層504、p−InPクラッド層505およびp−GaInAsコンタクト層506をn−InP基板501上に形成する場合、例えば、MBE(molecular beam epitaxy)、MOCVD(metal organic chemical vaper deposition)、あるいはALCVD(atomic layer chemical vaper deposition)などのエピタキシャル成長を用いることができる。 In the case where the InGaAsP active layer 502, the p-InP current blocking layer 503, the n-InP current blocking layer 504, the p-InP cladding layer 505, and the p-GaInAs contact layer 506 are formed on the n-InP substrate 501, for example, Epitaxial growth such as MBE (Molecular Beam Epitaxy), MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), or ALCVD (Atomic Layer Chemical Vapor Deposition) can be used.
そして、p側電極507に電圧を印加することにより、n−InP電流ブロック層504にて電流を狭窄させながら、InGaAsP活性層502に電流を注入することができる。そして、InGaAsP活性層502に電流が注入されると、InGaAsP活性層502にて発光させることができる。そして、InGaAsP活性層502にて生成された光は、InGaAsP活性層502の両側の高反射膜509、510にて反射され、図1の入力信号光411の導波方向と直交する方向にレーザ発振を起こさせることができる。 Then, by applying a voltage to the p-side electrode 507, current can be injected into the InGaAsP active layer 502 while confining current in the n-InP current blocking layer 504. When a current is injected into the InGaAsP active layer 502, the InGaAsP active layer 502 can emit light. The light generated in the InGaAsP active layer 502 is reflected by the high reflection films 509 and 510 on both sides of the InGaAsP active layer 502, and laser oscillation is performed in a direction orthogonal to the waveguide direction of the input signal light 411 in FIG. Can be caused.
すなわち、多モード導波路403の幅方向に形成された高反射膜509、510とInGaAsP活性層502とからなるレーザキャビティでレーザ発振が起こるため、発振光の伝搬方向と信号光の伝搬方向とを直交させることができる。このため、発振光が入力導波路402および出力導波路404に混入することを防止することができ、発振光と信号光とを空間的に分離することができる。このため、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となる。 That is, since laser oscillation occurs in the laser cavity composed of the highly reflective films 509 and 510 formed in the width direction of the multimode waveguide 403 and the InGaAsP active layer 502, the propagation direction of the oscillation light and the propagation direction of the signal light are determined. Can be orthogonal. For this reason, it is possible to prevent the oscillation light from being mixed into the input waveguide 402 and the output waveguide 404, and the oscillation light and the signal light can be spatially separated. For this reason, a wavelength filter or an optical waveguide for separating the signal light and the oscillation light can be dispensed with, and the gain fluctuation due to the input light intensity can be suppressed while suppressing an increase in the element size.
また、多モード導波路403a〜403cは、InGaAsP活性層502をコアとして、信号光に対しては幅W、長さLMMIの多モード導波路として、発振光に対しては幅LMMI、長さWの多モード導波路として作用するため、発振光および信号光の双方を水平方向(基板面内方向)に伝搬させることができる。このため、通常の半導体レーザおよび半導体光増幅器の製造プロセスをそのまま流用することができ、光増幅素子の製造工程の煩雑化を抑制することが可能となるとともに、高信頼性を確保することができる。 The multimode waveguides 403a to 403c are multimode waveguides having the InGaAsP active layer 502 as a core and a width W and a length L MMI for signal light, and a width L MMI and a length for oscillation light. Since it acts as a multimode waveguide having a length W, both the oscillation light and the signal light can be propagated in the horizontal direction (in-plane direction of the substrate). For this reason, the manufacturing process of a normal semiconductor laser and a semiconductor optical amplifier can be used as it is, and it becomes possible to suppress complication of the manufacturing process of the optical amplifying element and to ensure high reliability. .
さらに、発振光の伝搬方向となるInGaAsP活性層502の幅方向には、多モード導波路403を構成するための十分なスペースを確保することができる。このため、シングルモード導波路の幅方向または厚み方向に発振光が伝搬する場合に比べて多くの距離を伝搬させることができ、大きな利得を得ることができる。このため、高反射膜409、410の反射率がある程度低くても発振を起こさせることができ、高反射膜409、410の反射率に対する要求を緩和させて、高反射膜409、410の作製を容易化することができる。 Furthermore, a sufficient space for forming the multimode waveguide 403 can be secured in the width direction of the InGaAsP active layer 502 that is the propagation direction of the oscillation light. For this reason, it is possible to propagate a greater distance than when the oscillation light propagates in the width direction or thickness direction of the single mode waveguide, and a large gain can be obtained. Therefore, oscillation can be caused even if the reflectivity of the high reflection films 409 and 410 is low to some extent, and the demand for the reflectivity of the high reflection films 409 and 410 is relaxed, and the production of the high reflection films 409 and 410 is made. Can be facilitated.
図3は、本発明の光増幅素子の動作原理を示す平面図である。なお、図3の光増幅素子の構成は、図1の光増幅素子の多モード導波路403a〜403cを1つだけ設けた場合に対応している。
すなわち、図3において、n−InP基板601上には、入力信号光611を入力する入力導波路602、入力信号光611を導波させる多モード導波路603、出力信号光612を出力する出力導波路604が形成されている。ここで、入力導波路602および出力導波路604は、InGaAsPをコアとした利得媒質からなるシングルモード導波路から構成することができ、多モード導波路603は、InGaAsPをコアとした利得媒質からなる多モード導波路から構成することができる。
FIG. 3 is a plan view showing the operation principle of the optical amplifying element of the present invention. 3 corresponds to the case where only one multimode waveguide 403a to 403c of the optical amplifying element of FIG. 1 is provided.
That is, in FIG. 3, on an n-InP substrate 601, an input waveguide 602 for inputting the input signal light 611, a multimode waveguide 603 for guiding the input signal light 611, and an output waveguide for outputting the output signal light 612 are provided. A waveguide 604 is formed. Here, the input waveguide 602 and the output waveguide 604 can be composed of a single mode waveguide made of a gain medium having InGaAsP as a core, and the multimode waveguide 603 is made of a gain medium having InGaAsP as a core. It can be composed of a multimode waveguide.
また、入力導波路602側のn−InP基板601の端面605には反射防止膜607が形成されるとともに、出力導波路604側のn−InP基板601の端面606には反射防止膜608が形成されている。さらに、多モード導波路603の両脇には、高反射膜609、610が対向配置されている。
そして、入力導波路602に入射した入力信号光611は、入力導波路602を伝搬して多モード導波路603に入射される。そして、入力信号光611が多モード導波路603に入射すると、入力信号光611は多モード導波路603における固有モードに展開される。すなわち、入力導波路602の基本伝搬モードと多モード導波路603の複数の伝搬モードとの重なり積分に比例したパワー分布で多モード導波路603内の複数の伝搬モードが励振される。そして、多モード導波路603内で励振された各モードは、それぞれの伝搬定数により決定される位相条件で多モード導波路603内を伝搬する。
An antireflection film 607 is formed on the end surface 605 of the n-InP substrate 601 on the input waveguide 602 side, and an antireflection film 608 is formed on the end surface 606 of the n-InP substrate 601 on the output waveguide 604 side. Has been. Further, on both sides of the multimode waveguide 603, highly reflective films 609 and 610 are disposed to face each other.
The input signal light 611 that has entered the input waveguide 602 propagates through the input waveguide 602 and enters the multimode waveguide 603. When the input signal light 611 enters the multimode waveguide 603, the input signal light 611 is developed into the eigenmode in the multimode waveguide 603. That is, the plurality of propagation modes in the multimode waveguide 603 are excited with a power distribution proportional to the overlap integral of the fundamental propagation mode of the input waveguide 602 and the plurality of propagation modes of the multimode waveguide 603. Each mode excited in the multimode waveguide 603 propagates in the multimode waveguide 603 under a phase condition determined by the respective propagation constant.
そして、光がある距離だけ伝搬すると、各モードの光の位相が多モード導波路603内で互いに強め合う状態となり、1つまたは複数のスポットに集光される。ここで、(1)式の関係を満たすように、多モード導波路603の長さLを設定することにより、多モード導波路603内を伝搬する信号光を1つのスポットに集光させることができる。そして、多モード導波路603内を長さLMMIだけ伝搬した信号光は出力導波路604に入射し、出力導波路604を伝搬した後、出力信号光612として端面606から出射される。 When the light propagates a certain distance, the phases of the light in each mode are intensified with each other in the multimode waveguide 603 and are condensed on one or a plurality of spots. Here, by setting the length L of the multimode waveguide 603 so as to satisfy the relationship of the expression (1), the signal light propagating in the multimode waveguide 603 can be condensed into one spot. it can. Then, the signal light propagated through the multimode waveguide 603 by the length L MMI enters the output waveguide 604, propagates through the output waveguide 604, and then is emitted from the end face 606 as the output signal light 612.
これにより、多モード導波路603内で自己結像効果を起こさせることが可能となり、多モード導波路603内を伝搬した信号光を出力導波路604の基本モードに結合させることができる。このため、複数の伝搬モードを多モード導波路603内で励振させた場合においても、多モード導波路603と出力導波路604との間の結合損失を低減させることができる。 As a result, a self-imaging effect can be caused in the multimode waveguide 603, and the signal light propagated in the multimode waveguide 603 can be coupled to the fundamental mode of the output waveguide 604. For this reason, even when a plurality of propagation modes are excited in the multimode waveguide 603, the coupling loss between the multimode waveguide 603 and the output waveguide 604 can be reduced.
例えば、多モード導波路603の幅W=20μm、多モード導波路603の等価屈折率neq=3.24、入力信号光411の波長λ=1.55μm、m=1とすると、多モード導波路603の長さLMMI=836μmに設定することができる。
また、入力導波路602、多モード導波路603および出力導波路604のコアは利得媒質を含むため、入力信号光611は、入力導波路602、多モード導波路603および出力導波路604を伝搬するに従って増幅され、増幅された出力信号光612を得ることができる。
For example, when the width W of the multimode waveguide 603 is 20 μm, the equivalent refractive index n eq of the multimode waveguide 603 is 3.24, the wavelength λ of the input signal light 411 is 1.55 μm, and m = 1, The length L MMI of the waveguide 603 can be set to 836 μm.
Further, since the cores of the input waveguide 602, the multimode waveguide 603, and the output waveguide 604 include a gain medium, the input signal light 611 propagates through the input waveguide 602, the multimode waveguide 603, and the output waveguide 604. And the amplified output signal light 612 can be obtained.
一方、多モード導波路603にて生成された自然放出光は四方八方に放出され、多モード導波路603の両脇の高反射膜609、610にて反射させることにより、入力信号光611の導波方向と直交する方向にレーザ発振を起こさせることができる。そして、入力信号光611の導波方向と直交する方向にレーザ発振が起こると、多モード導波路603に入射された信号光の強度が変動した場合においても、多モード導波路603のキャリア密度を一定に保つことができ、光増幅素子の利得を一定値にクランプさせることができる。 On the other hand, the spontaneous emission light generated in the multimode waveguide 603 is emitted in all directions and reflected by the high reflection films 609 and 610 on both sides of the multimode waveguide 603, thereby guiding the input signal light 611. Laser oscillation can be caused in a direction orthogonal to the wave direction. When laser oscillation occurs in a direction orthogonal to the waveguide direction of the input signal light 611, the carrier density of the multimode waveguide 603 is reduced even when the intensity of the signal light incident on the multimode waveguide 603 varies. It can be kept constant, and the gain of the optical amplifying element can be clamped to a constant value.
このため、出力導波路604から出射される増幅光に発振光が混入することを防止しつつ、発振により利得がクランプされた利得媒質内で、入力信号光611を増幅させることが可能となる。この結果、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となる。 Therefore, it is possible to amplify the input signal light 611 in the gain medium whose gain is clamped by oscillation while preventing the oscillation light from being mixed into the amplified light emitted from the output waveguide 604. As a result, it is possible to eliminate the need for a wavelength filter or an optical waveguide for separating the signal light and the oscillation light, and it is possible to suppress a gain variation due to the input light intensity while suppressing an increase in element size.
ここで、図3のA−A´線で切断した光増幅素子の構成は図2の構成と同様とすることができ、図3のB−B´線で切断した光増幅素子の構成は図1のB−B´線で切断した光増幅素子の構成と同様とすることができる。
そして、例えば、高反射膜509、510の反射率RHが0.9、すなわち90%であったとする。この場合、デシベル表示に直すと、10×log(RH)となり、反射損失の0.46dBに相当する。そして、多モード導波路603では自然放出光が四方八方に放出され、多モード導波路603の幅方向に進行または導波する光が高反射膜509、510にて反射される。
Here, the configuration of the optical amplifying element cut along the line AA ′ in FIG. 3 can be the same as the configuration in FIG. 2, and the configuration of the optical amplifying element cut along the line BB ′ in FIG. The configuration can be the same as that of the optical amplifying element cut along line BB ′.
For example, it is assumed that the reflectance RH of the highly reflective films 509 and 510 is 0.9, that is, 90%. In this case, when converted to the decibel display, it becomes 10 × log (R H ), which corresponds to a reflection loss of 0.46 dB. The spontaneous emission light is emitted in all directions in the multimode waveguide 603, and the light traveling or guided in the width direction of the multimode waveguide 603 is reflected by the high reflection films 509 and 510.
ここで、反射損失は0.46dBなので、この反射光が多モード導波路603の幅方向に距離Wだけ伝搬する間に0.46dBの利得があれば、反射損失と利得とが釣り合う。この結果、高反射膜509、510とInGaAsP活性層502とからなるレーザキャビティが多モード導波路603の幅方向に形成され、多モード導波路603の幅方向にレーザ発振を起こさせることができる。 Here, since the reflection loss is 0.46 dB, if there is a gain of 0.46 dB while this reflected light propagates by the distance W in the width direction of the multimode waveguide 603, the reflection loss and the gain are balanced. As a result, a laser cavity composed of the highly reflective films 509 and 510 and the InGaAsP active layer 502 is formed in the width direction of the multimode waveguide 603, and laser oscillation can be caused in the width direction of the multimode waveguide 603.
例えば、多モード導波路603の幅W=20μmとすると、多モード導波路603の利得が0.46dB/20μmだけあればレーザ発振を起こさせることができる。そして、多モード導波路603内にレーザ発振が起こると、InGaAsP活性層502に入射された信号光強度が変動した場合においても、InGaAsP活性層602のキャリア密度を一定に保つことができ、光増幅素子の利得を一定値にクランプさせることができる。 For example, if the width W of the multimode waveguide 603 is 20 μm, laser oscillation can be caused if the gain of the multimode waveguide 603 is only 0.46 dB / 20 μm. When laser oscillation occurs in the multi-mode waveguide 603, the carrier density of the InGaAsP active layer 602 can be kept constant even when the intensity of the signal light incident on the InGaAsP active layer 502 fluctuates. The gain of the element can be clamped to a constant value.
一方、多モード導波路403を軸方向に伝搬する信号光の利得について考えると、多モード導波路603の長さLMMI=836μmであり、多モード導波路603の利得は0.46dB/20μmにクランプされている。このため、多モード導波路603を伝搬した時の信号光の利得は、
836μm×(0.46dB/20μm)=19dB ・・・(2)
でクランプされる。
On the other hand, considering the gain of the signal light propagating in the axial direction through the multimode waveguide 403, the length of the multimode waveguide 603 is L MMI = 836 μm, and the gain of the multimode waveguide 603 is 0.46 dB / 20 μm. It is clamped. For this reason, the gain of the signal light when propagating through the multimode waveguide 603 is
836 μm × (0.46 dB / 20 μm) = 19 dB (2)
It is clamped with.
そして、多モード導波路603の利得がクランプされると、これ以上多モード導波路603に電流を注入しても、この電流は発振光のパワーを増大させるために消費され、信号光の利得に寄与することはない。一方、入射側端面605および出射側端面606には反射防止膜607、608がそれぞれ設けられているため、残留反射率RARは0.1%以下(−30dB以下)に抑えられている。このため、多モード導波路603の利得が19dBだけあったとしても、入力信号光411の伝搬方向では発振に至ることはなく、進行波型の光増幅動作が行われる。 When the gain of the multimode waveguide 603 is clamped, even if a current is further injected into the multimode waveguide 603, this current is consumed to increase the power of the oscillation light, and the gain of the signal light is increased. There is no contribution. On the other hand, since the antireflection films 607 and 608 are respectively provided on the incident side end surface 605 and the emission side end surface 606, the residual reflectance R AR is suppressed to 0.1% or less (−30 dB or less). For this reason, even if the gain of the multimode waveguide 603 is only 19 dB, oscillation does not occur in the propagation direction of the input signal light 411, and a traveling wave type optical amplification operation is performed.
図4は、図3の光増幅素子の飽和特性を示す図である。
図4において、多モード導波路603に電流を注入すると、最初は電流の増加とともに利得は増加する。そして、電流がI1に達すると、多モード導波路603の幅方向に距離Wだけ伝搬した時の利得がしきい値利得Glateralに達し、多モード導波路603の幅方向で発振が生じる。この時、しきい値利得Glateralは、
Glateral=−10×log(RH)(dB) ・・・(3)
で与えられる。
FIG. 4 is a diagram showing saturation characteristics of the optical amplifying element of FIG.
In FIG. 4, when a current is injected into the multimode waveguide 603, the gain increases as the current increases. When the current reaches I 1, the gain when propagating by the distance W in the width direction of the multimode waveguide 603 reaches the threshold gain G lateral , and oscillation occurs in the width direction of the multimode waveguide 603. At this time, the threshold gain G lateral is
G lateral = −10 × log (R H ) (dB) (3)
Given in.
さらに電流を増加させ、電流がI2(>I1)に達した場合においても、多モード導波路603内では既に発振が生じているためキャリア密度は一定値にクランプされ、利得は増加しない。すなわち、通常の光増幅素子では、電流がI1を超えても、電流の増加に伴って利得が単調増加するのに対して、本実施形態では、多モード導波路603の利得をG0にクランプさせることができる。この時、信号光の利得G0は、
G0=Glateral×LMMI/W ・・・(4)
で与えられる。ここで、信号光の利得G0は、(1)、(3)式を用いることにより、
G0=−10×log(RH)×neq×W/λ ・・・(5)
となる。
Even when the current is further increased and the current reaches I2 (> I1), oscillation has already occurred in the multimode waveguide 603, so that the carrier density is clamped to a constant value and the gain does not increase. That is, in the conventional optical amplifier, clamp even beyond the current I1, while the gain with increasing current increases monotonically, in the present embodiment, the gain of the multimode waveguide 603 to G 0 Can be made. At this time, the gain G 0 of the signal light is
G 0 = G lateral × L MMI / W (4)
Given in. Here, the gain G 0 of the signal light is obtained by using the equations (1) and (3):
G 0 = −10 × log (R H ) × n eq × W / λ (5)
It becomes.
そして、電流がI1以上の動作状態、すなわち、多モード導波路603の幅方向で発振が生じているために利得がG0にクランプされている状態では、図3の入力信号光611の強度が大きくなった場合でも、発振光の強度が減少するだけで光増幅素子内部の発振光と信号光のトータルの光強度は一定に保たれる。このため、光増幅素子内の利得媒質のキャリア密度に変動が生じることはなく、図14に示すように、光増幅素子の利得は一定に保たれる。この結果、入力信号光611の波長多重数が変化した場合においても、利得変動を抑制することができ、波長多重光伝送システムを安定に動作させることができる。 In an operating state where the current is I1 or more, that is, in a state where the gain is clamped to G 0 because oscillation occurs in the width direction of the multimode waveguide 603, the intensity of the input signal light 611 in FIG. Even when the intensity is increased, the total light intensity of the oscillation light and the signal light inside the optical amplifying element is kept constant only by reducing the intensity of the oscillation light. For this reason, the carrier density of the gain medium in the optical amplifying element does not vary, and the gain of the optical amplifying element is kept constant as shown in FIG. As a result, even when the wavelength multiplexing number of the input signal light 611 is changed, gain variation can be suppressed and the wavelength multiplexing optical transmission system can be operated stably.
ここで、図3の光増幅素子が1つの多モード導波路603を用いているのに対し、図1の光増幅素子が複数の多モード導波路403a〜403cを多段接続している点を除けば、図1の光増幅素子の動作原理は、図3の光増幅素子の動作原理と同様である。
そして、図1の構成では、長さがそれぞれLMMIに設定された複数の多モード導波路403a〜403cを多段接続することにより、自己結合効果を発現させることを可能としつつ、クランプ利得を稼ぐことが可能となる。このため、注入電流密度を一定に保ちつつ、多モード導波路403a〜403cのサイズを小さくすることが可能となり、接続導波路413a、413bおよび出力導波路404の基本モードに信号光を低損失で結合させることを可能としつつ、駆動電流を低減させることができる。
Here, the optical amplifying element in FIG. 3 uses one multimode waveguide 603, but the optical amplifying element in FIG. 1 has a plurality of multimode waveguides 403a to 403c connected in multiple stages. For example, the operating principle of the optical amplifying element in FIG. 1 is the same as the operating principle of the optical amplifying element in FIG.
Then, in the configuration of FIG. 1, by multistage connection of a plurality of multimode waveguide 403a~403c length is set to L MMI respectively, while enabling the expression of the self-coupling effect, make clamp gain It becomes possible. For this reason, it is possible to reduce the size of the multimode waveguides 403a to 403c while keeping the injection current density constant, and the signal light can be transmitted to the fundamental modes of the connection waveguides 413a and 413b and the output waveguide 404 with low loss. The drive current can be reduced while enabling the coupling.
例えば、高反射膜409、410の反射率RHが0.94、すなわち94%であったとする。そして、各多モード導波路403a〜403cの幅W=10μmとすると、(5)式により、多モード導波路403a〜403cをLMMIだけ伝搬した時の信号光のクランプ利得はそれぞれ5.6dBとなる。この時、各多モード導波路403a〜403cにおいて、光が最初にスポット状に集光されるまでの長さLMMIは、(1)式により209μmとなる。このため、多モード導波路403a〜403cを3段の縦属接続すると、多モード導波路403a〜403cの1段分のクランプ利得は5.6dBなので、多モード導波路403a〜403c全体のクランプ利得は16.8Bとなる。 For example, it is assumed that the reflectance RH of the high reflection films 409 and 410 is 0.94, that is, 94%. Then, when the width W = 10 [mu] m of each multimode waveguide 403a to 403c, (5) the formula, the clamp gain of the signal light when the multimode waveguide 403a to 403c propagated only L MMI is respectively 5.6dB Become. At this time, in each of the multimode waveguides 403a to 403c, the length L MMI until the light is first condensed in a spot shape is 209 μm according to the equation (1). For this reason, when the multimode waveguides 403a to 403c are cascade-connected in three stages, the clamp gain for one stage of the multimode waveguides 403a to 403c is 5.6 dB. Is 16.8B.
また、図3の実施形態では、多モード導波路603の幅Wおよび長さLがそれぞれ20μm、836μmであったのに対し、図1の実施形態では、多モード導波路403a〜403cの幅Wおよび長さLがそれぞれ10μm、209μmであるため、面積で比較すると、1/8になっている。
一方、図3の実施形態では、しきい値利得Glateralは0.46dB/20μmであり、単位長さ当たりの発振しきい値利得密度は0.023(dB/μm)であるのに対し、図1の実施形態では、しきい値利得Glateralは0.27dB/10μmであり、単位長さ当たりの発振しきい値利得密度は0.027(dB/μm)とほぼ同一の利得密度で動作するため、注入電流密度もほぼ同一になると考えられる。従って、多モード導波路403a〜403cを3段の縦属接続構成とした場合においても、多モード導波路403a〜403c全体の面積は3/8となり、注入電流密度を一定とすると、半分以下の電流で駆動することができる。
Further, in the embodiment of FIG. 3, the width W and the length L of the multimode waveguide 603 are 20 μm and 836 μm, respectively, whereas in the embodiment of FIG. 1, the width W of the multimode waveguides 403a to 403c. Since the length L is 10 μm and 209 μm, respectively, the area is 1/8 compared.
On the other hand, in the embodiment of FIG. 3, the threshold gain G lateral is 0.46 dB / 20 μm, and the oscillation threshold gain density per unit length is 0.023 (dB / μm), whereas In the embodiment of FIG. 1, the threshold gain G lateral is 0.27 dB / 10 μm, and the oscillation threshold gain density per unit length is 0.027 (dB / μm). Therefore, the injection current density is considered to be almost the same. Therefore, even when the multi-mode waveguides 403a to 403c have a three-stage cascade connection configuration, the entire area of the multi-mode waveguides 403a to 403c is 3/8. It can be driven by current.
なお、利得媒質を含む導波路の構成に関しては、特に制約を設けるものではなく、通常の光増幅素子で用いられている全ての層構造に適用するようにしてもよい。すなわち、InGaAsP活性層502の形状はバルクの他、MQW(多重量子井戸)、量子細線、量子ドットなどでもよく、また、上下の閉じ込めを所望の値にするために分離閉じ込めヘテロ構造(SCH)や、屈折率を徐々に変化させた傾斜屈折率閉じ込め構造(GRIN−SCH)としてもよい。例えば、バンドギャップ波長が利得媒質とInPクラッドとの間にあるようなInGaAsP分離閉じ込め層または光ガイド層を利得媒質の上部または下部に設けるようにしてもよい。さらに、材料に関しても、InPおよびInGaAsPの組み合わせに限定されることなく、GaAs、AlGaAs、GaInAs、GaInNAs、AlGaAsPなど他の半導体材料を用いるようにしてもよい。 The configuration of the waveguide including the gain medium is not particularly limited, and may be applied to all layer structures used in ordinary optical amplifying elements. That is, the shape of the InGaAsP active layer 502 may be MQW (multiple quantum well), quantum wire, quantum dot, etc. in addition to the bulk, and a separate confinement heterostructure (SCH) or A gradient refractive index confinement structure (GRIN-SCH) in which the refractive index is gradually changed may be used. For example, an InGaAsP separation confinement layer or a light guide layer having a band gap wavelength between the gain medium and the InP clad may be provided above or below the gain medium. Further, the material is not limited to the combination of InP and InGaAsP, and other semiconductor materials such as GaAs, AlGaAs, GaInAs, GaInNAs, and AlGaAsP may be used.
また、導波路構造に関しても、pn埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造を用いるようにしてもよい。さらに、基板に関しても、n型基板に限定されることなく、p型基板または半絶縁性基板を用いるようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、信号光の伝搬経路に沿って、入力導波路402から多モード導波路403を経て出力導波路404に至るまでの全てについて利得媒質をコアに含む場合について説明したが、少なくとも多モード導波路403のコアまたはクラッドの一部に利得媒質を設けるようにしてもよい。
As for the waveguide structure, a pn buried structure, a ridge structure, a semi-insulating buried structure, and a high mesa structure may be used. Further, the substrate is not limited to the n-type substrate, and a p-type substrate or a semi-insulating substrate may be used.
In the above-described embodiment, the case where the gain medium is included in the core from the input waveguide 402 to the output waveguide 404 through the multimode waveguide 403 along the propagation path of the signal light has been described. Alternatively, a gain medium may be provided at least at a part of the core or the cladding of the multimode waveguide 403.
また、上述した実施形態では、m=1の場合について説明したが、各多モード導波路403a〜403cの長さはそれぞれ独立に(1)式を満たせばよく、m=1に限定されない。例えば、多モード導波路403aではm=2、多モード導波路403bではm=1、多モード導波路403cではm=4とするようにしてもよく、多モード導波路403a〜403cごとに任意の整数mを用いた場合にも本発明の効果が期待できる。さらに、上述した実施形態では、多モード導波路403a〜403cを3段接続する方法について説明したが、3段に限定されることなく、n(nは正の整数)段構成なら何段でもよい。 In the above-described embodiment, the case where m = 1 has been described. However, the lengths of the multimode waveguides 403a to 403c may satisfy the equation (1) independently, and are not limited to m = 1. For example, m = 2 may be set for the multimode waveguide 403a, m = 1 for the multimode waveguide 403b, and m = 4 for the multimode waveguide 403c. Any number of multimode waveguides 403a to 403c may be used. Even when the integer m is used, the effect of the present invention can be expected. Furthermore, in the above-described embodiment, the method of connecting the multimode waveguides 403a to 403c in three stages has been described. However, the number of stages is not limited to three, and any number of stages may be used as long as the configuration is n (n is a positive integer). .
図5は、本発明の第2実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す断面図である。なお、図5の断面図は、図1のA−A´線で切断した光増幅素子の構成部分に対応し、図5の実施形態の水平方向の導波路の構成は図1と同様の構成をとることができる。
図5において、n−InP基板701上には、InGaAsP分離閉じ込め層711が形成されている。なお、InGaAsP分離閉じ込め層711は、信号光の波長に対して透明になるように構成することができる。そして、InGaAsP分離閉じ込め層711上には、InGaAsP活性層702がストライプ状に形成されている。なお、InGaAsP活性層702の幅は、多モード導波路では、複数モードの光が伝搬されるように設定することができる。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an optical amplifying element according to the second embodiment of the present invention. 5 corresponds to the components of the optical amplifying element cut along the line AA ′ in FIG. 1, and the configuration of the horizontal waveguide in the embodiment of FIG. 5 is the same as that in FIG. Can be taken.
In FIG. 5, an InGaAsP separation and confinement layer 711 is formed on an n-InP substrate 701. The InGaAsP separation confinement layer 711 can be configured to be transparent with respect to the wavelength of the signal light. An InGaAsP active layer 702 is formed in a stripe shape on the InGaAsP isolation and confinement layer 711. Note that the width of the InGaAsP active layer 702 can be set so that light of a plurality of modes is propagated in the multimode waveguide.
そして、InGaAsP活性層702の両側は、InGaAsP分離閉じ込め層711上に順次積層されたp−InP電流ブロック層703およびn−InP電流ブロック層704にて埋め込まれている。そして、InGaAsP活性層702およびn−InP電流ブロック層704上には、p−InPクラッド層705が形成されている。 Both sides of the InGaAsP active layer 702 are buried with a p-InP current blocking layer 703 and an n-InP current blocking layer 704 that are sequentially stacked on the InGaAsP isolation and confinement layer 711. A p-InP cladding layer 705 is formed on the InGaAsP active layer 702 and the n-InP current blocking layer 704.
そして、p−InPクラッド層705上にはp−GaInAsコンタクト層706が形成されている。また、p−GaInAsコンタクト層706上にはp側電極707が形成され、n−InP基板701の裏面にはn側電極708が形成されている。また、p−InP電流ブロック層703およびn−InP電流ブロック層704にて埋め込まれたInGaAsP活性層702はメサ状にエッチングされ、InGaAsP分離閉じ込め層711、p−InP電流ブロック層703、n−InP電流ブロック層704、p−InPクラッド層705およびp−GaInAsコンタクト層706の側壁が露出されている。そして、InGaAsP分離閉じ込め層711、p−InP電流ブロック層703、n−InP電流ブロック層704、p−InPクラッド層705およびp−GaInAsコンタクト層706の側壁には、信号光の伝搬方向に沿うようにして高反射膜709、710が形成されている。 A p-GaInAs contact layer 706 is formed on the p-InP cladding layer 705. A p-side electrode 707 is formed on the p-GaInAs contact layer 706, and an n-side electrode 708 is formed on the back surface of the n-InP substrate 701. Further, the InGaAsP active layer 702 buried in the p-InP current blocking layer 703 and the n-InP current blocking layer 704 is etched in a mesa shape, and the InGaAsP isolation confinement layer 711, the p-InP current blocking layer 703, the n-InP The side walls of the current blocking layer 704, the p-InP cladding layer 705, and the p-GaInAs contact layer 706 are exposed. The side walls of the InGaAsP isolation and confinement layer 711, the p-InP current blocking layer 703, the n-InP current blocking layer 704, the p-InP cladding layer 705, and the p-GaInAs contact layer 706 are along the propagation direction of the signal light. Thus, highly reflective films 709 and 710 are formed.
なお、入力導波路および出力導波路の構成は、入力導波路および出力導波路のInGaAsP活性層702の幅が多モード導波路のInGaAsP活性層702の幅と異なることを除けば、多モード導波路703と同様の構成をとることができる。すなわち、入力導波路および出力導波路のInGaAsP活性層702の幅は、単一モードの光が伝搬されるように設定することができる。 The configuration of the input waveguide and the output waveguide is the same as that of the multimode waveguide except that the width of the InGaAsP active layer 702 in the input waveguide and the output waveguide is different from the width of the InGaAsP active layer 702 in the multimode waveguide. A configuration similar to that of 703 can be employed. That is, the width of the InGaAsP active layer 702 in the input waveguide and the output waveguide can be set so that single mode light is propagated.
そして、p側電極707に電圧を印加することにより、n−InP電流ブロック層704にて電流を狭窄させながら、InGaAsP活性層702に電流を注入することができる。そして、InGaAsP活性層702に電流が注入されると、InGaAsP活性層702にて発光させることができる。そして、InGaAsP活性層702にて生成された光は、InGaAsP活性層702の両側の高反射膜709、710にて反射され、信号光の導波方向と直交する方向にレーザ発振を起こさせることができる。 Then, by applying a voltage to the p-side electrode 707, current can be injected into the InGaAsP active layer 702 while confining current in the n-InP current blocking layer 704. When a current is injected into the InGaAsP active layer 702, the InGaAsP active layer 702 can emit light. The light generated in the InGaAsP active layer 702 is reflected by the high reflection films 709 and 710 on both sides of the InGaAsP active layer 702, causing laser oscillation in a direction orthogonal to the waveguide direction of the signal light. it can.
ここで、高反射膜709、710の方向に延伸されたInGaAsP分離閉じ込め層711をInGaAsP活性層702の下層に設けることにより、発振光に対するコアを高反射膜709、710まで延伸することができる。このため、InGaAsP活性層702にて生成された光をInGaAsP分離閉じ込め層711にてガイドしながら、高反射膜709、710に導くことができ、キャビティ内における発振光の損失を減少させることが可能となる。このため、多モード導波路内で発振光を効率よくフィードバックさせることが可能となり、高反射膜709、710の反射率に対する要求を緩和することができる。 Here, by providing the InGaAsP isolation and confinement layer 711 extending in the direction of the high reflection films 709 and 710 in the lower layer of the InGaAsP active layer 702, the core for the oscillation light can be extended to the high reflection films 709 and 710. For this reason, the light generated in the InGaAsP active layer 702 can be guided to the highly reflective films 709 and 710 while being guided by the InGaAsP separation confinement layer 711, and the loss of oscillation light in the cavity can be reduced. It becomes. For this reason, it becomes possible to efficiently feed back the oscillation light in the multimode waveguide, and the requirement for the reflectivity of the highly reflective films 709 and 710 can be relaxed.
図6は、本発明の第3実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す平面図である。
図6において、n−InP基板901上には、多モード導波路903aに接続され、入力信号光911を入力する入力導波路902、信号光を導波させる複数の多モード導波路903a〜903c、多モード導波路903a、903bを互いに接続する接続導波路913a、多モード導波路903b、903cを互いに接続する接続導波路913b、多モード導波路903cに接続され、出力信号光912を出力する出力導波路904が形成されている。
FIG. 6 is a plan view showing a schematic configuration of the optical amplifying element according to the third embodiment of the present invention.
In FIG. 6, on an n-InP substrate 901, an input waveguide 902 that is connected to a multimode waveguide 903a and receives input signal light 911, and a plurality of multimode waveguides 903a to 903c that guide signal light, An output waveguide that connects the multimode waveguides 903a and 903b to each other, a connection waveguide 913b that connects the multimode waveguides 903b and 903c to each other, and a multimode waveguide 903c that outputs the output signal light 912. A waveguide 904 is formed.
ここで、入力導波路902および出力導波路904は、入力信号光911の波長に対して透明なInGaAsPをコアとしたシングルモード導波路から構成することができ、多モード導波路903a〜903cは、InGaAsPをコアとした利得媒質からなる多モード導波路から構成することができ、接続導
波路913a、913bは、入力信号光911の波長に対して透明なInGaAsPをコアとしたシングルモード導波路から構成することができる。また、入力導波路902、多モード導波路903a〜903c、接続導波路913a、913bおよび出力導波路904は導波路中心軸が互いに一致するようにn−InP基板901上に並べて配置することができる。また、各多モード導波路903a〜903cの長さLは、(1)式の関係を満たすように設定することができる。また、各多モード導波路903a〜903cの幅Wは、複数モードの光が伝搬されるように設定することができ、入力導波路902、接続導波路913a、913bおよび出力導波路904の幅は、単一モードの光が伝搬されるように設定することができる。
また、入力導波路902側のn−InP基板901の端面905には反射防止膜907が形成されるとともに、出力導波路904側のn−InP基板901の端面906には反射防止膜908が形成されている。さらに、多モード導波路903の両脇には、高反射膜909、910が対向配置されている。
Here, the input waveguide 902 and the output waveguide 904 can be composed of single mode waveguides having InGaAsP as a core transparent to the wavelength of the input signal light 911, and the multimode waveguides 903a to 903c are A multimode waveguide made of a gain medium having InGaAsP as a core can be used, and the connection waveguides 913a and 913b are made of a single mode waveguide having InGaAsP as a core transparent to the wavelength of the input signal light 911. can do. Further, the input waveguide 902, the multimode waveguides 903a to 903c, the connection waveguides 913a and 913b, and the output waveguide 904 can be arranged side by side on the n-InP substrate 901 so that the waveguide center axes coincide with each other. . Further, the length L of each of the multimode waveguides 903a to 903c can be set so as to satisfy the relationship of the expression (1). The width W of each of the multimode waveguides 903a to 903c can be set so that light of a plurality of modes is propagated, and the widths of the input waveguide 902, the connection waveguides 913a and 913b, and the output waveguide 904 are It can be set so that single mode light is propagated.
Further, an antireflection film 907 is formed on the end surface 905 of the n-InP substrate 901 on the input waveguide 902 side, and an antireflection film 908 is formed on the end surface 906 of the n-InP substrate 901 on the output waveguide 904 side. Has been. Further, on both sides of the multimode waveguide 903, highly reflective films 909 and 910 are arranged to face each other.
図7は、図6のA−A´線で切断した光増幅素子の構成例を示す断面図である。
図7において、n−InP基板1001上には、InGaAsP入力導波路コア層1002、InGaAsP活性層1003a〜1003c、InGaAsP接続導波路コア層1009a〜1009bおよびInGaAsP出力導波路コア層1004が形成されている。ここで、InGaAsP活性層1003aは、InGaAsP入力導波路コア層1002とInGaAsP接続導波路コア層1009aとの間に配置され、InGaAsP活性層1003bは、InGaAsP接続導波路コア層1009a、1009b間に配置され、InGaAsP活性層1003cは、InGaAsP接続導波路コア層1009bとInGaAsP出力導波路コア層1004との間に配置されている。
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the optical amplifying element cut along line AA ′ in FIG. 6.
In FIG. 7, an InGaAsP input waveguide core layer 1002, InGaAsP active layers 1003a to 1003c, InGaAsP connection waveguide core layers 1009a to 1009b, and an InGaAsP output waveguide core layer 1004 are formed on an n-InP substrate 1001. . Here, the InGaAsP active layer 1003a is disposed between the InGaAsP input waveguide core layer 1002 and the InGaAsP connection waveguide core layer 1009a, and the InGaAsP active layer 1003b is disposed between the InGaAsP connection waveguide core layers 1009a and 1009b. The InGaAsP active layer 1003c is disposed between the InGaAsP connection waveguide core layer 1009b and the InGaAsP output waveguide core layer 1004.
なお、InGaAsP活性層1003a〜1003cの幅は、複数モードの光が伝搬されるように設定することができ、InGaAsP活性層1003a〜1003cの幅は、例えば、20μmに設定することができる。
そして、InGaAsP入力導波路コア層1002、InGaAsP活性層1003a〜1003c、InGaAsP接続導波路コア層1009a〜1009bおよびInGaAsP出力導波路コア層1004上には、p−InPクラッド層1005が形成されている。ここで、n−InP基板1001とp−InPクラッド層1005との間にInGaAsP活性層1003a〜1003cを形成することにより、InGaAsP活性層1003a〜1003cをコアとした利得媒質からなる多モード導波路903a〜903cをそれぞれ構成することができる。
Note that the widths of the InGaAsP active layers 1003a to 1003c can be set so that light of a plurality of modes is propagated, and the widths of the InGaAsP active layers 1003a to 1003c can be set to 20 μm, for example.
A p-InP cladding layer 1005 is formed on the InGaAsP input waveguide core layer 1002, the InGaAsP active layers 1003a to 1003c, the InGaAsP connection waveguide core layers 1009a to 1009b, and the InGaAsP output waveguide core layer 1004. Here, by forming InGaAsP active layers 1003a to 1003c between the n-InP substrate 1001 and the p-InP clad layer 1005, a multimode waveguide 903a made of a gain medium having InGaAsP active layers 1003a to 1003c as a core is formed. ˜903c can be configured respectively.
そして、p−InPクラッド層1005上にはp−GaInAsコンタクト層1006a〜1006cが形成されている。ここで、p−GaInAsコンタクト層1006a〜1006cは、InGaAsP活性層1003a〜1003cにそれぞれ対応するように分割して配置されている。また、p−GaInAsコンタクト層1006a〜1006c上にはp側電極1007a〜1007cがそれぞれ形成され、n−InP基板1001の裏面にはn側電極1008が形成されている。 On the p-InP cladding layer 1005, p-GaInAs contact layers 1006a to 1006c are formed. Here, the p-GaInAs contact layers 1006a to 1006c are divided and arranged so as to correspond to the InGaAsP active layers 1003a to 1003c, respectively. Further, p-side electrodes 1007a to 1007c are formed on the p-GaInAs contact layers 1006a to 1006c, respectively, and an n-side electrode 1008 is formed on the back surface of the n-InP substrate 1001.
ここで、p−GaInAsコンタクト層1006a〜1006cおよびp側電極1007a〜1007cをそれぞれ分割することにより、InGaAsP活性層1003a〜1003cに効率よく電流を注入することが可能となるとともに、InGaAsP入力導波路コア層1002、InGaAsP接続導波路コア層1009a〜1009bおよびInGaAsP出力導波路コア層1004に電流が注入されることを抑制することができ、フリーキャリア吸収損失を低減させることができる。 Here, by dividing each of the p-GaInAs contact layers 1006a to 1006c and the p-side electrodes 1007a to 1007c, it becomes possible to efficiently inject current into the InGaAsP active layers 1003a to 1003c, and to achieve an InGaAsP input waveguide core. Current can be prevented from being injected into the layer 1002, the InGaAsP connection waveguide core layers 1009a to 1009b, and the InGaAsP output waveguide core layer 1004, and free carrier absorption loss can be reduced.
そして、図6において、入力導波路902に入射した入力信号光911は、入力導波路902を伝搬して多モード導波路903aに入射される。そして、入力信号光911が多モード導波路903aに入射すると、多モード導波路903a内の複数の伝搬モードが励振され、それぞれの伝搬定数により決定される位相条件で多モード導波路903a内を伝搬する。そして、多モード導波路903a内を伝搬した光は、接続導波路913aに入射し、接続導波路913aを伝搬した後、多モード導波路903bに入射する。そして、多モード導波路903bに入射した信号光は、多モードに展開されながら多モード導波路903bを伝搬し、接続導波路913bに入射する。そして、接続導波路913bに入射した信号光は、接続導波路913bを伝搬した後、多モード導波路903cに入射し、多モードに展開されながら多モード導波路903cを伝搬する。そして、多モード導波路903cを伝搬した信号光は、出力導波路904に入射し、出力導波路904を伝搬した後、出力信号光912として端面906から出射される。 In FIG. 6, the input signal light 911 that has entered the input waveguide 902 propagates through the input waveguide 902 and enters the multimode waveguide 903a. When the input signal light 911 enters the multimode waveguide 903a, a plurality of propagation modes in the multimode waveguide 903a are excited and propagate in the multimode waveguide 903a under phase conditions determined by the respective propagation constants. To do. The light propagated in the multimode waveguide 903a enters the connection waveguide 913a, propagates through the connection waveguide 913a, and then enters the multimode waveguide 903b. Then, the signal light that has entered the multimode waveguide 903b propagates through the multimode waveguide 903b while being developed in multimode, and enters the connection waveguide 913b. Then, the signal light incident on the connection waveguide 913b propagates through the connection waveguide 913b, then enters the multimode waveguide 903c, and propagates through the multimode waveguide 903c while being developed in multimode. Then, the signal light propagated through the multimode waveguide 903 c enters the output waveguide 904, propagates through the output waveguide 904, and then is emitted from the end face 906 as the output signal light 912.
なお、(1)式の関係を満たすように、各多モード導波路903a〜903cの長さLを設定することにより、各多モード導波路903a〜903c内を伝搬した信号光を、接続導波路913a、913bおよび出力導波路904の基本モードにそれぞれ結合させることができ、各多モード導波路903a〜903cと接続導波路913a、913bおよび出力導波路904との間の結合損失を低減させることができる。
ここで、各多モード導波路903a〜903cのコアは利得媒質を含むため、入力信号光911は、各多モード導波路903a〜903cを伝搬するに従って増幅され、増幅された出力信号光912を得ることができる。
In addition, by setting the length L of each of the multimode waveguides 903a to 903c so as to satisfy the relationship of the expression (1), the signal light propagated in each of the multimode waveguides 903a to 903c is connected to the connection waveguide. 913a and 913b can be coupled to the fundamental mode of the output waveguide 904, respectively, and the coupling loss between the multimode waveguides 903a to 903c and the connection waveguides 913a and 913b and the output waveguide 904 can be reduced. it can.
Here, since the core of each of the multimode waveguides 903a to 903c includes a gain medium, the input signal light 911 is amplified as it propagates through each of the multimode waveguides 903a to 903c to obtain an amplified output signal light 912. be able to.
一方、各多モード導波路903a〜903cにて生成された自然放出光は四方八方に放出され、多モード導波路903a〜903cの両脇の高反射膜909、910にて反射させることにより、入力信号光911の導波方向と直交する方向にレーザ発振を起こさせることができる。そして、入力信号光911の導波方向と直交する方向にレーザ発振が起こると、各多モード導波路903a〜903cに入射された信号光強度が変動した場合においても、各多モード導波路903a〜903cのキャリア密度を一定に保つことができ、光増幅素子の利得を一定値にクランプさせることができる。 On the other hand, the spontaneous emission light generated in each of the multimode waveguides 903a to 903c is emitted in all directions and reflected by the high reflection films 909 and 910 on both sides of the multimode waveguides 903a to 903c, thereby inputting the light. Laser oscillation can be caused in a direction orthogonal to the waveguide direction of the signal light 911. When laser oscillation occurs in a direction orthogonal to the waveguide direction of the input signal light 911, even when the intensity of the signal light incident on the multimode waveguides 903a to 903c varies, the multimode waveguides 903a to 903a The carrier density of 903c can be kept constant, and the gain of the optical amplifying element can be clamped to a constant value.
このため、入力導波路902および出力導波路904をバットジョイント構成とした場合においても、出力導波路904から出射される増幅光に発振光が混入することを防止しつつ、発振により利得がクランプされた利得媒質内で、入力信号光911を増幅させることが可能となる。この結果、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となる。 For this reason, even when the input waveguide 902 and the output waveguide 904 have a butt joint configuration, the gain is clamped by oscillation while preventing the oscillation light from being mixed into the amplified light emitted from the output waveguide 904. The input signal light 911 can be amplified in the gain medium. As a result, it is possible to eliminate the need for a wavelength filter or an optical waveguide for separating the signal light and the oscillation light, and it is possible to suppress a gain variation due to the input light intensity while suppressing an increase in element size.
また、上述した実施形態では、接続導波路913a、913bおよび出力導波路904が、入力信号光911の波長に対して透明な材質をコアとしたシングルモード導波路から構成されている。このため、多モード導波路903a〜903cにて増幅された信号光が接続導波路913a、913bおよび出力導波路904にそれぞれ集光された状態で入射し、光パワー密度が高くなった場合においても、利得飽和による波形劣化を防止することができる。また、入力導波路902、接続導波路913a、913bおよび出力導波路904を、入力信号光911の波長に対して透明な材質をコアとしたシングルモード導波路から構成することにより、入力導波路902、接続導波路913a、913bおよび出力導波路904に電流注入する必要がなくなり、駆動電流を低減することができる。 In the above-described embodiment, the connection waveguides 913a and 913b and the output waveguide 904 are configured by single mode waveguides having a core made of a material transparent to the wavelength of the input signal light 911. For this reason, even when the signal light amplified by the multimode waveguides 903a to 903c is incident on the connection waveguides 913a and 913b and the output waveguide 904 in a condensed state, and the optical power density is increased. Waveform deterioration due to gain saturation can be prevented. Further, the input waveguide 902, the connection waveguides 913 a and 913 b, and the output waveguide 904 are formed from a single mode waveguide whose core is made of a material transparent to the wavelength of the input signal light 911, whereby the input waveguide 902. Therefore, it is not necessary to inject current into the connection waveguides 913a and 913b and the output waveguide 904, and the drive current can be reduced.
なお、上述した実施形態では、入力導波路902、接続導波路913a、913bおよび出力導波路904の全てを入力信号光911の波長に対して透明な材質を用いて構成する方法について説明したが、必ずしも入力導波路902、接続導波路913a、913bおよび出力導波路904の全てを入力信号光911の波長に対して透明な材質を用いて構成する必要はなく、入力導波路902、接続導波路913a、913bおよび出力導波路904のいずれかを入力信号光911の波長に対して透明な材質を用いて構成するようにしてもよい。例えば、電流を低減したい場合には、入力導波路902、接続導波路913a、913bおよび出力導波路904の全てを入力信号光911の波長に対して透明な材質を用いて構成する方法が効果的であるが、NFをより重視する場合には、入力導波路902は入力信号光911の波長に対して利得を有する材質を用いて構成する方がよい。 In the above-described embodiment, the method of configuring all of the input waveguide 902, the connection waveguides 913a and 913b, and the output waveguide 904 using a material that is transparent with respect to the wavelength of the input signal light 911 has been described. The input waveguide 902, the connection waveguides 913a and 913b, and the output waveguide 904 are not necessarily configured using a material that is transparent to the wavelength of the input signal light 911. The input waveguide 902 and the connection waveguide 913a are not necessarily required. 913b and the output waveguide 904 may be made of a material transparent to the wavelength of the input signal light 911. For example, when it is desired to reduce the current, it is effective to configure the input waveguide 902, the connection waveguides 913a and 913b, and the output waveguide 904 using a material that is transparent with respect to the wavelength of the input signal light 911. However, when NF is more important, the input waveguide 902 is preferably made of a material having a gain with respect to the wavelength of the input signal light 911.
また、多モード導波路903a〜903cの全てについて利得媒質をコアに含む場合について説明したが、少なくとも多モード導波路903a〜903cのコアまたはクラッドの一部に利得媒質を設けるようにしてもよい。また、図6の実施形態でも、導波路の構成、コア層もしくは利得媒質の組成および構造、SCH構造の有無などは、図1の実施形態と同様に様々な変形を施すことができる。 Moreover, although the case where the gain medium is included in the core for all of the multimode waveguides 903a to 903c has been described, the gain medium may be provided at least in part of the core or the cladding of the multimode waveguides 903a to 903c. Also in the embodiment of FIG. 6, various modifications can be made to the configuration of the waveguide, the composition and structure of the core layer or gain medium, the presence or absence of the SCH structure, and the like as in the embodiment of FIG.
図8は、本発明の第4実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す平面図である。
図8において、n−InP基板1101上には、多モード導波路1103aに接続され、入力信号光1111を入力する入力導波路1102、信号光を導波させる複数の多モード導波路1103a〜1103c、多モード導波路1103a、1103bを互いに接続する接続導波路1113a、多モード導波路1103b、1103cを互いに接続する接続導波路1113b、多モード導波路1103cに接続され、出力信号光1112を出力する出力導波路1104が形成されている。
FIG. 8 is a plan view showing a schematic configuration of the optical amplifying element according to the fourth embodiment of the present invention.
In FIG. 8, on an n-InP substrate 1101, an input waveguide 1102 that is connected to a multimode waveguide 1103a and receives input signal light 1111 and a plurality of multimode waveguides 1103a to 1103c that guide signal light, An output waveguide that connects the multimode waveguides 1103a and 1103b to each other, a connection waveguide 1113b that connects the multimode waveguides 1103b and 1103c to each other, and a multimode waveguide 1103c that outputs the output signal light 1112. A waveguide 1104 is formed.
ここで、入力導波路1102および出力導波路1104は、InGaAsPをコアとした利得媒質からなるシングルモード導波路から構成することができ、多モード導波路1103a〜1103cは、InGaAsPをコアとした利得媒質からなる多モード導波路から構成することができ、接続導波路1113a、1113bは、InGaAsPをコアとした利得媒質からなるシングルモード導波路から構成することができる。 Here, the input waveguide 1102 and the output waveguide 1104 can be constituted by a single mode waveguide made of a gain medium having InGaAsP as a core, and the multimode waveguides 1103a to 1103c are gain media having InGaAsP as a core. The connection waveguides 1113a and 1113b can be formed of a single mode waveguide made of a gain medium having InGaAsP as a core.
また、入力導波路1102、多モード導波路1103a〜1103c、接続導波路1113a、1113bおよび出力導波路1104は導波路中心軸が互いに一致するようにn−InP基板1101上に並べて配置することができる。また、各多モード導波路1103a〜1103cの幅W1、W2、W3は複数モードの光がそれぞれ伝搬されるように互いに異なるように設定することができる。また、入力導波路1102、接続導波路1113a、1113bおよび出力導波路1104の幅は、単一モードの光が伝搬されるように設定することができる。また、各多モード導波路1103a〜1103cの長さL1、L2、L3は、(1)式の関係を満たすようにそれぞれ設定することができる。 Further, the input waveguide 1102, the multimode waveguides 1103a to 1103c, the connection waveguides 1113a and 1113b, and the output waveguide 1104 can be arranged side by side on the n-InP substrate 1101 so that the waveguide center axes coincide with each other. . Further, the widths W 1 , W 2 , and W 3 of the multimode waveguides 1103a to 1103c can be set to be different from each other so that light of a plurality of modes is propagated. Further, the widths of the input waveguide 1102, the connection waveguides 1113a and 1113b, and the output waveguide 1104 can be set so that single-mode light is propagated. In addition, the lengths L 1 , L 2 , and L 3 of the multimode waveguides 1103a to 1103c can be set so as to satisfy the relationship of the expression (1).
また、入力導波路1102側のn−InP基板1101の端面1105には反射防止膜1107が形成されるとともに、出力導波路1104側のn−InP基板1101の端面1106には反射防止膜1108が形成されている。さらに、多モード導波路1103a〜1103cの両脇には、高反射膜1109、1110が対向配置されている。 Further, an antireflection film 1107 is formed on the end surface 1105 of the n-InP substrate 1101 on the input waveguide 1102 side, and an antireflection film 1108 is formed on the end surface 1106 of the n-InP substrate 1101 on the output waveguide 1104 side. Has been. Furthermore, highly reflective films 1109 and 1110 are arranged opposite to each side of the multimode waveguides 1103a to 1103c.
図9は、図8のA−A´線で切断した光増幅素子の構成例を示す断面図である。
図9において、n−InP基板1201上には、InGaAsP活性層1202が形成されている。ここで、InGaAsP活性層1202の幅は、多モード導波路1103a〜1103cでは、複数モードの光が伝搬されるように設定するとともに、多モード導波路1103a〜1103cごとに互いに異なるように設定することができ、入力導波路1102、接続導波路1113a、1113bおよび出力導波路1104では、単一モードの光が伝搬されるように設定することができる。
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the optical amplifying element cut along line AA ′ in FIG. 8.
In FIG. 9, an InGaAsP active layer 1202 is formed on an n-InP substrate 1201. Here, the width of the InGaAsP active layer 1202 is set so that light of a plurality of modes is propagated in the multimode waveguides 1103a to 1103c, and is set to be different for each of the multimode waveguides 1103a to 1103c. The input waveguide 1102, the connection waveguides 1113a and 1113b, and the output waveguide 1104 can be set so that single mode light is propagated.
そして、InGaAsP活性層1202上には、p−InPクラッド層1205が形成されている。ここで、n−InP基板1201とp−InPクラッド層1205との間にInGaAsP活性層1202を形成することにより、InGaAsP活性層1202をコアとした利得媒質からなる多モード導波路1103a〜1103cをそれぞれ構成することができる。 A p-InP cladding layer 1205 is formed on the InGaAsP active layer 1202. Here, by forming an InGaAsP active layer 1202 between the n-InP substrate 1201 and the p-InP clad layer 1205, the multimode waveguides 1103a to 1103c made of a gain medium having the InGaAsP active layer 1202 as a core are formed. Can be configured.
そして、p−InPクラッド層1205上にはp−GaInAsコンタクト層1206a〜1206cが形成されている。ここで、p−GaInAsコンタクト層1206a〜1206cは、多モード導波路1103a〜1103cにそれぞれ対応するように分割して配置されている。また、p−GaInAsコンタクト層1206a〜1206c上にはp側電極1207a〜1207cがそれぞれ形成され、n−InP基板1201の裏面にはn側電極1208が形成されている。
ここで、p−GaInAsコンタクト層1206a〜1206cおよびp側電極1207a〜1207cをそれぞれ分割することにより、多モード導波路1103a〜1103cごとに注入電流密度を独立に制御することができる。
Then, p-GaInAs contact layers 1206 a to 1206 c are formed on the p-InP cladding layer 1205. Here, the p-GaInAs contact layers 1206a to 1206c are divided and arranged so as to correspond to the multimode waveguides 1103a to 1103c, respectively. In addition, p-side electrodes 1207 a to 1207 c are formed on the p-GaInAs contact layers 1206 a to 1206 c, respectively, and an n-side electrode 1208 is formed on the back surface of the n-InP substrate 1201.
Here, by dividing the p-GaInAs contact layers 1206a to 1206c and the p-side electrodes 1207a to 1207c, the injection current density can be controlled independently for each of the multimode waveguides 1103a to 1103c.
そして、図8において、入力導波路1102に入射した入力信号光1111は、入力導波路1102を伝搬して多モード導波路1103aに入射される。そして、入力信号光1111が多モード導波路1103aに入射すると、多モード導波路1103a内の複数の伝搬モードが励振され、それぞれの伝搬定数により決定される位相条件で多モード導波路1103a内を伝搬する。そして、多モード導波路1103a内を伝搬した光は、接続導波路1113aに入射し、接続導波路1113aを伝搬した後、多モード導波路1103bに入射する。そして、多モード導波路1103bに入射した信号光は、多モードに展開されながら多モード導波路1103bを伝搬し、接続導波路1113bに入射する。そして、接続導波路1113bに入射した信号光は、接続導波路1113bを伝搬した後、多モード導波路1103cに入射し、多モードに展開されながら多モード導波路1103cを伝搬する。そして、多モード導波路1103cを伝搬した信号光は、出力導波路1104に入射し、出力導波路1104を伝搬した後、出力信号光1112として端面1106から出射される。 In FIG. 8, the input signal light 1111 that has entered the input waveguide 1102 propagates through the input waveguide 1102 and enters the multimode waveguide 1103a. When the input signal light 1111 enters the multimode waveguide 1103a, a plurality of propagation modes in the multimode waveguide 1103a are excited and propagate in the multimode waveguide 1103a under phase conditions determined by the respective propagation constants. To do. Then, the light propagated in the multimode waveguide 1103a enters the connection waveguide 1113a, propagates through the connection waveguide 1113a, and then enters the multimode waveguide 1103b. Then, the signal light incident on the multimode waveguide 1103b propagates through the multimode waveguide 1103b while being developed in multimode, and enters the connection waveguide 1113b. Then, the signal light incident on the connection waveguide 1113b propagates through the connection waveguide 1113b, then enters the multimode waveguide 1103c, and propagates through the multimode waveguide 1103c while being developed in multimode. The signal light that has propagated through the multimode waveguide 1103 c enters the output waveguide 1104, propagates through the output waveguide 1104, and is then emitted from the end face 1106 as output signal light 1112.
なお、(1)式の関係を満たすように、各多モード導波路1103a〜1103cの長さL1、L2、L3をそれぞれ設定することにより、各多モード導波路1103a〜1103c内を伝搬した信号光を、接続導波路1113a、1113bおよび出力導波路1104の基本モードにそれぞれ結合させることができ、各多モード導波路1103a〜1103cと接続導波路1113a、1113bおよび出力導波路1104との間の結合損失を低減させることができる。
ここで、各多モード導波路1103a〜1103cのコアは利得媒質を含むため、入力信号光1111は、各多モード導波路1103a〜1103cを伝搬するに従って増幅され、増幅された出力信号光1112を得ることができる。
The lengths L 1 , L 2 , and L 3 of the multimode waveguides 1103a to 1103c are set so as to satisfy the relationship of the expression (1), thereby propagating through the multimode waveguides 1103a to 1103c. Can be coupled to the fundamental modes of the connection waveguides 1113a and 1113b and the output waveguide 1104, respectively, and between the multimode waveguides 1103a to 1103c and the connection waveguides 1113a and 1113b and the output waveguide 1104. The coupling loss can be reduced.
Here, since the core of each of the multimode waveguides 1103a to 1103c includes a gain medium, the input signal light 1111 is amplified as it propagates through each of the multimode waveguides 1103a to 1103c, and an amplified output signal light 1112 is obtained. be able to.
一方、各多モード導波路1103a〜1103cにて生成された自然放出光は四方八方に放出され、多モード導波路1103a〜1103cの両脇の高反射膜1109、1110にて反射させることにより、入力信号光1111の導波方向と直交する方向にレーザ発振を起こさせることができる。そして、入力信号光1111の導波方向と直交する方向にレーザ発振が起こると、各多モード導波路1103a〜1103cに入射された信号光強度が変動した場合においても、各多モード導波路1103a〜1103cのキャリア密度を一定に保つことができ、光増幅素子の利得を一定値にクランプさせることができる。 On the other hand, the spontaneous emission light generated in each of the multimode waveguides 1103a to 1103c is emitted in all directions and reflected by the high reflection films 1109 and 1110 on both sides of the multimode waveguides 1103a to 1103c. Laser oscillation can be caused in a direction orthogonal to the waveguide direction of the signal light 1111. When laser oscillation occurs in a direction orthogonal to the waveguide direction of the input signal light 1111, each of the multimode waveguides 1103 a to 1103 a is changed even when the intensity of the signal light incident on the multimode waveguides 1103 a to 1103 c varies. The carrier density of 1103c can be kept constant, and the gain of the optical amplifying element can be clamped to a constant value.
このため、多モード導波路1103a〜1103cの幅W1、W2、W3が互いに異なるように設定した場合においても、出力導波路1104から出射される増幅光に発振光が混入することを防止しつつ、発振により利得がクランプされた利得媒質内で、入力信号光1111を増幅させることが可能となる。この結果、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となる。 For this reason, even when the widths W 1 , W 2 , and W 3 of the multimode waveguides 1103 a to 1103 c are set to be different from each other, the oscillation light is prevented from being mixed into the amplified light emitted from the output waveguide 1104. However, the input signal light 1111 can be amplified in the gain medium whose gain is clamped by oscillation. As a result, it is possible to eliminate the need for a wavelength filter or an optical waveguide for separating the signal light and the oscillation light, and it is possible to suppress a gain variation due to the input light intensity while suppressing an increase in element size.
また、多モード導波路1103a〜1103cの幅W1、W2、W3が互いに異なるように設定することにより、多モード導波路1103a〜1103cごとに注入キャリア密度を変化させることが可能となる。このため、利得を稼ぎながら、飽和出力パワーを増大させたり、NFを向上させたりすることができ、光増幅素子の用途に応じて様々な動作状態を実現することができる。 In addition, by setting the widths W 1 , W 2 , and W 3 of the multimode waveguides 1103 a to 1103 c to be different from each other, it is possible to change the injected carrier density for each of the multimode waveguides 1103 a to 1103 c. For this reason, it is possible to increase the saturated output power or improve NF while gaining gain, and various operation states can be realized according to the use of the optical amplifying element.
いま、高反射膜1109、1110の反射率RHが0.94(94%)であったとする。このとき、多モード導波路1103a〜1103cの発振しきい値利得は、(3)式により、0.27dBとなる。いま、多モード導波路1103a〜1103cの幅W1、W2、W3がそれぞれ8μm、10μm、12μmであるとすると、(5)式により多モード導波路1103a〜1103cを伝搬した時の信号光のクランプ利得はそれぞれ4.5dB、5.6dB、6.7dBとなる。またこの時の多モード導波路1103a〜1103cの長さL1〜L3は、(1)式において、LMMIをLi、neqをneqi、WをWi、mをmiと読み替え、さらにmi=1としてそれぞれ134μm、209μm、301μmとなる。そこで、本実施形態で示したように、導波路幅W1、W2、W3の多モード領域を、シングルモード接続導波路1113a、1113bにより3段縦属接続すると、3段全体ではクランプ利得は16.8dBとなる。これは、図4に示した第1実施形態の構成と等しい値となっている。 Now, the reflectance R H of the high reflection film 1109 is assumed to be 0.94 (94%). At this time, the oscillation threshold gain of the multimode waveguides 1103a to 1103c is 0.27 dB according to the equation (3). Now, assuming that the widths W 1 , W 2 , and W 3 of the multimode waveguides 1103 a to 1103 c are 8 μm, 10 μm, and 12 μm, respectively, the signal light when propagating through the multimode waveguides 1103 a to 1103 c according to the equation (5) The clamp gains are 4.5 dB, 5.6 dB, and 6.7 dB, respectively. Also, the lengths L 1 to L 3 of the multimode waveguides 1103a to 1103c at this time are expressed as L MMI as L i , n eq as n eqi , W as W i , and m as m i in equation (1). Further, when m i = 1, they are 134 μm, 209 μm, and 301 μm, respectively. Therefore, as shown in the present embodiment, when the multimode regions having the waveguide widths W 1 , W 2 , and W 3 are connected in three stages vertically by the single mode connection waveguides 1113a and 1113b, the clamp gain is obtained in the entire three stages. Is 16.8 dB. This is the same value as the configuration of the first embodiment shown in FIG.
ここで、それぞれ幅の異なる多モード領域における単位長さ当たりの利得を考えてみると、幅が8μmの領域では、0.27dB/8μm=0.03375B/μm、幅が10μmの領域では、0.27dB/10μm=0.027dB/μm、幅が12μmの領域では、0.27dB/12μm=0.0225dB/μmとなっており、幅が狭い領域の方が単位長さ当たりの利得が高くなっていることがわかる。半導体媒質の単位長さ当たりの利得は非飽和時にはキャリア密度に比例するため、多モード領域のうちで幅が狭いほど高注入状態で動作していることになる。従って、当然のことながら、p側電極1207a〜1207cに注入される電流は、複数存在する多モード領域において、幅が狭い領域ほど注入電流密度が高くなるように制御される。 Here, when considering the gain per unit length in the multimode regions having different widths, 0.27 dB / 8 μm = 0.03375 B / μm in the region of 8 μm width, and 0 in the region of 10 μm width. .27 dB / 10 μm = 0.027 dB / μm and the width of 12 μm is 0.27 dB / 12 μm = 0.0225 dB / μm, and the narrow width region has a higher gain per unit length. You can see that Since the gain per unit length of the semiconductor medium is proportional to the carrier density at the time of non-saturation, the narrower the width of the multimode region, the higher the operation state. Therefore, as a matter of course, the current injected into the p-side electrodes 1207a to 1207c is controlled so that the injection current density is higher in a narrower region in a plurality of multimode regions.
一般的に、注入キャリア密度が高いほど、NFが向上するということが知られている。そこで、本実施形態のように、入力側の導波路幅を順にW1<W2<W3のように出力側ほど広くなるように設定することにより、入力側に行くほどNFが良くなるように光増幅器を動作させることが可能となる。素子全体のNFはほとんど入力側でのNFで決定される。これは、入力端近傍では、入力信号光に自然放出光がノイズとして付加される形で重畳されるのに対し、入力端近傍以外では、入力信号光と入射端で重畳された自然放出光(ノイズ)が共に増幅されるため、信号光とノイズの比の変化が小さくなるからである。従って、本実施形態のように、入力端近傍でNFが良くなるように導波路幅W1を狭くすることにより、素子全体のNFを向上させることが可能となる。 In general, it is known that NF improves as the injected carrier density increases. Therefore, as in this embodiment, by setting the waveguide width on the input side in order so that the output side becomes wider like W 1 <W 2 <W 3 , the NF becomes better toward the input side. It becomes possible to operate the optical amplifier. The NF of the entire element is almost determined by the NF on the input side. This is because the spontaneous emission light is superimposed on the input signal light as noise added near the input end, whereas the spontaneous emission light superimposed on the input signal light and the incident end (except the vicinity of the input end) ( This is because the change in the ratio between the signal light and the noise becomes small because both (noise) are amplified. Therefore, the NF of the entire device can be improved by narrowing the waveguide width W 1 so that the NF is improved in the vicinity of the input end as in this embodiment.
一方、飽和出力の増大は次の理由による。すなわち、第1実施形態において説明したように、本発明の光増幅素子は、利得を有する活性層内部での信号光と発振光の合計の光強度、もしくは光子密度が一定となるような状態で動作する。利得の飽和は、信号光強度が増加し、発振光強度がゼロとなった時に生じる。本実施形態では、多モード導波路を用いているため、飽和出力を上げるためには、活性層内部での信号光の強度分布、もしくは光子密度分布を下げるような構造とすればよいことになる。いま、信号光の強度について考えると、光強度もしくは光子密度は信号光の導波モードのモード断面積を大きくすることにより低減することができる。本実施形態の場合、信号光は多モード導波路を伝搬しているため、導波路幅を広くすることにより信号光のパワーはより多くの導波モードに分配され、導波路幅全体に広がるために光強度もしくは光子密度は小さくなる。シングルモード導波路の場合、シングルモード条件のために導波路幅には上限が存在するが、本実施形態では多モード導波路を用いているために、導波路幅に対する制約はない。 On the other hand, the increase in saturation output is due to the following reason. That is, as described in the first embodiment, the optical amplifying element of the present invention is in a state where the total light intensity or photon density of the signal light and the oscillation light inside the active layer having gain is constant. Operate. Gain saturation occurs when the signal light intensity increases and the oscillation light intensity becomes zero. In this embodiment, since a multimode waveguide is used, in order to increase the saturation output, a structure that lowers the intensity distribution of signal light or the photon density distribution inside the active layer may be used. . Now, considering the intensity of signal light, the light intensity or photon density can be reduced by increasing the mode cross-sectional area of the waveguide mode of the signal light. In the case of the present embodiment, since the signal light propagates through the multi-mode waveguide, the power of the signal light is distributed to more waveguide modes by widening the waveguide width, and spreads over the entire waveguide width. In addition, the light intensity or photon density is reduced. In the case of a single mode waveguide, there is an upper limit on the waveguide width due to the single mode condition. However, since the multimode waveguide is used in this embodiment, there is no restriction on the waveguide width.
しかも、多モード導波路の幅Wと多モード導波路の長さLは(1)式の関係を満たすため、多モード導波路内を伝搬する信号光は、自己結像効果により集光されて全てシングルモードとして出力される。そのため、多モード導波路を用いた場合の飽和出力は、発振光の強度がゼロとなる時の信号光強度(飽和出力密度)と、多モード導波路内を広がって伝搬する信号光の強度(密度)との関係を考慮すれば良いことになり、飽和出力は、飽和出力密度とモード断面積、もしくは導波路幅(より正確には導波路断面積)の積に比例する。入力信号光は多モード導波路内で飽和出力密度に達するまで飽和することなく増幅され、自己結像効果により集光されて出力される。 Moreover, since the width W of the multimode waveguide and the length L of the multimode waveguide satisfy the relationship of the expression (1), the signal light propagating in the multimode waveguide is condensed by the self-imaging effect. All are output as single mode. Therefore, the saturation output when using a multimode waveguide is the signal light intensity (saturation output density) when the intensity of the oscillation light becomes zero and the intensity of the signal light propagating in the multimode waveguide ( The saturation output is proportional to the product of the saturation output density and the mode cross-sectional area, or the waveguide width (more precisely, the waveguide cross-sectional area). The input signal light is amplified without being saturated in the multimode waveguide until the saturation power density is reached, and is condensed and output by the self-imaging effect.
従って、単に導波路幅を広げることで(飽和出力密度×導波路幅)が増大し、飽和出力を向上させることが可能となる。例えば、導波路幅を2倍にすれば、導波路内での平均の光強度(光子密度)は1/2となる。そこで、導波路幅を広げたことにより、信号光強度が飽和出力密度に達するまでに2倍の余裕が生まれたことになる。逆に、導波路幅が2倍になっているため、信号光強度が飽和出力密度に達したときに出力される全パワーも2倍になる。これは素子の飽和出力が2倍になったことに相当する。
このように、多モード導波路の幅をW1<W2<W3のように設定することにより、図4に示した第1実施形態の構成と等しい利得をとりながら、NFを向上させつつ飽和出力パワーがさらに大きくなるという効果が期待される。
Therefore, simply increasing the waveguide width increases (saturated output density × waveguide width), and it is possible to improve the saturated output. For example, if the waveguide width is doubled, the average light intensity (photon density) in the waveguide is halved. Thus, by widening the waveguide width, a margin of double is produced before the signal light intensity reaches the saturation power density. Conversely, since the waveguide width is doubled, the total power output when the signal light intensity reaches the saturation power density is also doubled. This corresponds to the saturation output of the element being doubled.
In this way, by setting the width of the multimode waveguide as W 1 <W 2 <W 3 , the NF is improved while obtaining the same gain as the configuration of the first embodiment shown in FIG. The effect of increasing the saturation output power is expected.
なお、上述した実施形態では、多モード導波路1103a〜1103cの幅W1、W2、W3が入力側から出力側に向かって段々広くなるように構成する方法について説明したが、本発明は入力側から出力側に向かって段々広くなるように構成する方法に限定されることなく、例えば、多モード導波路1103a〜1103cの幅W1、W2、W3をW1<W2>W3となるように設定してもよい。この場合、出力側の多モード導波路1103cだけでなく、入力側の多モード導波路1103aについても、キャリア密度が高い高注入状態で動作させることができ、双方向から信号光が入射するアプリケーションなどに適した構造となる。このように、目的に応じて多モード領域の幅の大小関係を任意に決定できることも本構成のメリットの一つである。逆に、様々の動作状態が多モード領域の幅を変えるだけで容易に実現できることが本実施形態の特徴の一つであるといえる。 In the above-described embodiment, the method has been described in which the widths W 1 , W 2 , and W 3 of the multimode waveguides 1103a to 1103c are gradually increased from the input side to the output side. For example, the widths W 1 , W 2 , and W 3 of the multimode waveguides 1103 a to 1103 c are set to W 1 <W 2 > W, without being limited to a method of gradually increasing from the input side to the output side. It may be set to be 3 . In this case, not only the output-side multimode waveguide 1103c but also the input-side multimode waveguide 1103a can be operated in a high injection state with a high carrier density, and an application in which signal light is incident from both directions. It becomes a structure suitable for. As described above, one of the merits of this configuration is that the width relationship of the multimode area can be arbitrarily determined according to the purpose. On the contrary, it can be said that one of the features of this embodiment is that various operation states can be easily realized simply by changing the width of the multi-mode region.
なお、図8の実施形態でも、導波路の構成、コア層もしくは利得媒質の組成および構造、SCH構造の有無などは、図1の実施形態と同様に様々な変形を施すことができる。また、図8の実施形態では、入力導波路1102および出力導波路1104についても、InGaAsPをコアとした利得媒質からなるシングルモード導波路から構成する方法について説明したが、図6と同様に、入力導波路1102および出力導波路1104が入力信号光1111の波長に対して透明な媒質を用いて構成されるようにしてもよい。また、接続導波路1113a、1113bについても入力信号光1111の波長に対して透明な媒質を用いて構成されるようにしてもよい。 In the embodiment of FIG. 8 as well, the configuration of the waveguide, the composition and structure of the core layer or gain medium, the presence or absence of the SCH structure, and the like can be variously modified as in the embodiment of FIG. In the embodiment of FIG. 8, the input waveguide 1102 and the output waveguide 1104 have also been described with respect to a method of configuring a single mode waveguide made of a gain medium having InGaAsP as a core. The waveguide 1102 and the output waveguide 1104 may be configured using a medium that is transparent with respect to the wavelength of the input signal light 1111. The connection waveguides 1113a and 1113b may also be configured using a medium transparent to the wavelength of the input signal light 1111.
また、上述した実施形態では、m=1の場合について説明したが、各多モード導波路1103a〜1103cの長さはそれぞれ独立に(1)式を満たせばよく、m=1に限定されることなく、多モード導波路1103a〜1103cごとに任意の整数mを用いた場合にも本発明の効果が期待できる。さらに、上述した実施形態では、多モード導波路1103a〜1103cを3段接続する方法について説明したが、3段に限定されることなく、n(nは正の整数)段構成なら何段でもよい。 In the above-described embodiment, the case where m = 1 has been described. However, the lengths of the multimode waveguides 1103a to 1103c may satisfy the equation (1) independently and are limited to m = 1. The effect of the present invention can also be expected when an arbitrary integer m is used for each of the multimode waveguides 1103a to 1103c. Furthermore, in the above-described embodiment, the method of connecting the multimode waveguides 1103a to 1103c in three stages has been described. However, the number of stages is not limited to three, and any number of stages may be used as long as the configuration is n (n is a positive integer). .
図10は、本発明の第5実施形態に係る光増幅素子の概略構成を示す平面図である。
図10において、n−InP基板1301上には、多モード導波路1303aに接続され、入力信号光1311を入力する入力導波路1302、信号光を導波させる複数の多モード導波路1303a〜1303c、多モード導波路1303cに接続され、出力信号光1312を出力する出力導波路1304が形成されている。
FIG. 10 is a plan view showing a schematic configuration of the optical amplifying element according to the fifth embodiment of the present invention.
In FIG. 10, on an n-InP substrate 1301, an input waveguide 1302 for inputting input signal light 1311 connected to the multimode waveguide 1303a, and a plurality of multimode waveguides 1303a to 1303c for guiding the signal light, An output waveguide 1304 that is connected to the multimode waveguide 1303c and outputs the output signal light 1312 is formed.
ここで、多モード導波路1303aは多モード導波路1303bに直接接続され、多モード導波路1303bは多モード導波路1303cに直接接続されている。また、入力導波路1302および出力導波路1304は、InGaAsPをコアとした利得媒質からなるシングルモード導波路から構成することができ、多モード導波路1303a〜1303cは、InGaAsPをコアとした利得媒質からなる多モード導波路から構成することができる。 Here, the multimode waveguide 1303a is directly connected to the multimode waveguide 1303b, and the multimode waveguide 1303b is directly connected to the multimode waveguide 1303c. Further, the input waveguide 1302 and the output waveguide 1304 can be constituted by a single mode waveguide made of a gain medium having InGaAsP as a core, and the multimode waveguides 1303a to 1303c are made of a gain medium having InGaAsP as a core. The multimode waveguide can be configured as follows.
また、入力導波路1302、多モード導波路1303a〜1303cおよび出力導波路1304は導波路中心軸が互いに一致するようにn−InP基板1301上に並べて配置することができる。また、各多モード導波路1303a〜1303cの幅W1、W2、W3は複数モードの光がそれぞれ伝搬されるように互いに異なるように設定することができる。また、入力導波路1302および出力導波路1304の幅は、単一モードの光が伝搬されるように設定することができる。また、各多モード導波路1303a〜1303cの長さL1、L2、L3は、(1)式の関係を満たすようにそれぞれ設定することができる。 Further, the input waveguide 1302, the multimode waveguides 1303a to 1303c, and the output waveguide 1304 can be arranged side by side on the n-InP substrate 1301 so that the waveguide center axes coincide with each other. Further, the widths W 1 , W 2 , and W 3 of the multimode waveguides 1303a to 1303c can be set to be different from each other so that light of a plurality of modes is propagated. Further, the widths of the input waveguide 1302 and the output waveguide 1304 can be set so that single-mode light is propagated. Further, the lengths L 1 , L 2 , and L 3 of the multimode waveguides 1303a to 1303c can be set so as to satisfy the relationship of the expression (1).
また、入力導波路1302側のn−InP基板1301の端面1305には反射防止膜1307が形成されるとともに、出力導波路1304側のn−InP基板1301の端面1306には反射防止膜1308が形成されている。さらに、多モード導波路1303a〜1303cの両脇には、高反射膜1309、1310が対向配置されている。 Further, an antireflection film 1307 is formed on the end surface 1305 of the n-InP substrate 1301 on the input waveguide 1302 side, and an antireflection film 1308 is formed on the end surface 1306 of the n-InP substrate 1301 on the output waveguide 1304 side. Has been. Further, highly reflective films 1309 and 1310 are arranged opposite to each side of the multimode waveguides 1303a to 1303c.
そして、入力導波路1302に入射した入力信号光1311は、入力導波路1302を伝搬して多モード導波路1303aに入射される。そして、入力信号光1311が多モード導波路1303aに入射すると、多モード導波路1303a内の複数の伝搬モードが励振され、それぞれの伝搬定数により決定される位相条件で多モード導波路1303a内を伝搬する。そして、多モード導波路1303a内を伝搬した光は、多モード導波路1303bに入射する。そして、多モード導波路1303bに入射した信号光は、多モードに展開されながら多モード導波路1303bを伝搬し、多モード導波路1303cに入射する。そして、多モード導波路1303cに入射した信号光は、多モードに展開されながら多モード導波路1303cを伝搬する。そして、多モード導波路1303cを伝搬した信号光は、出力導波路1304に入射し、出力導波路1304を伝搬した後、出力信号光1312として端面1306から出射される。 The input signal light 1311 that has entered the input waveguide 1302 propagates through the input waveguide 1302 and enters the multimode waveguide 1303a. When the input signal light 1311 enters the multimode waveguide 1303a, a plurality of propagation modes in the multimode waveguide 1303a are excited and propagate in the multimode waveguide 1303a under phase conditions determined by the respective propagation constants. To do. The light propagated in the multimode waveguide 1303a enters the multimode waveguide 1303b. Then, the signal light incident on the multimode waveguide 1303b propagates through the multimode waveguide 1303b while being developed in multimode, and enters the multimode waveguide 1303c. The signal light incident on the multimode waveguide 1303c propagates through the multimode waveguide 1303c while being developed in multimode. The signal light that has propagated through the multimode waveguide 1303 c enters the output waveguide 1304, propagates through the output waveguide 1304, and is then emitted from the end face 1306 as the output signal light 1312.
なお、(1)式の関係を満たすように、各多モード導波路1303a〜1303cの長さL1、L2、L3をそれぞれ設定することにより、多モード導波路1303a〜1303c内を伝搬した信号光を、出力導波路1304の基本モードに結合させることができ、多モード導波路1303a〜1303cと出力導波路1304との間の結合損失を低減させることができる。
ここで、各多モード導波路1303a〜1303cのコアは利得媒質を含むため、入力信号光1311は、各多モード導波路1303a〜1303cを伝搬するに従って増幅され、増幅された出力信号光1312を得ることができる。
The lengths L 1 , L 2 , and L 3 of the multimode waveguides 1303a to 1303c are set so as to satisfy the relationship of the expression (1), and propagated in the multimode waveguides 1303a to 1303c. Signal light can be coupled to the fundamental mode of the output waveguide 1304, and the coupling loss between the multimode waveguides 1303a to 1303c and the output waveguide 1304 can be reduced.
Here, since the cores of the multimode waveguides 1303a to 1303c include a gain medium, the input signal light 1311 is amplified as it propagates through the multimode waveguides 1303a to 1303c to obtain an amplified output signal light 1312. be able to.
一方、各多モード導波路1303a〜1303cにて生成された自然放出光は四方八方に放出され、多モード導波路1303a〜1303cの両脇の高反射膜1309、1310にて反射させることにより、入力信号光1311の導波方向と直交する方向にレーザ発振を起こさせることができる。そして、入力信号光1311の導波方向と直交する方向にレーザ発振が起こると、各多モード導波路1303a〜1303cに入射された信号光強度が変動した場合においても、各多モード導波路1303a〜1303cのキャリア密度を一定に保つことができ、光増幅素子の利得を一定値にクランプさせることができる。 On the other hand, the spontaneous emission light generated in each of the multimode waveguides 1303a to 1303c is emitted in all directions, and is reflected by the high reflection films 1309 and 1310 on both sides of the multimode waveguides 1303a to 1303c. Laser oscillation can be caused in a direction orthogonal to the waveguide direction of the signal light 1311. When laser oscillation occurs in a direction orthogonal to the waveguide direction of the input signal light 1311, the multimode waveguides 1303 a to 1303 a to 1303 a to 1303 c are changed even when the intensity of the signal light incident on the multimode waveguides 1303 a to 1303 c varies. The carrier density of 1303c can be kept constant, and the gain of the optical amplifying element can be clamped to a constant value.
このため、多モード導波路1303a〜1303cの幅W1、W2、W3が互いに異なるように設定した場合においても、出力導波路1304から出射される増幅光に発振光が混入することを防止しつつ、発振により利得がクランプされた利得媒質内で、入力信号光1311を増幅させることが可能となる。この結果、信号光と発振光とを分離するための波長フィルタや光導波路を不要とすることができ、素子サイズの増大を抑制しつつ、入力光強度による利得変動を抑えることが可能となる。 For this reason, even when the widths W 1 , W 2 , and W 3 of the multimode waveguides 1303a to 1303c are set to be different from each other, the oscillation light is prevented from being mixed into the amplified light emitted from the output waveguide 1304. However, the input signal light 1311 can be amplified in the gain medium whose gain is clamped by oscillation. As a result, it is possible to eliminate the need for a wavelength filter or an optical waveguide for separating the signal light and the oscillation light, and it is possible to suppress a gain variation due to the input light intensity while suppressing an increase in element size.
また、多モード導波路1303a〜1303cの幅W1、W2、W3が互いに異なるように設定することにより、多モード導波路1303a〜1303cごとに注入キャリア密度を変化させることが可能となる。このため、利得を稼ぎながら、飽和出力パワーを増大させたり、NFを向上させたりすることができ、光増幅素子の用途に応じて様々な動作状態を実現することができる。 In addition, by setting the widths W 1 , W 2 , and W 3 of the multimode waveguides 1303a to 1303c to be different from each other, it is possible to change the injected carrier density for each of the multimode waveguides 1303a to 1303c. For this reason, it is possible to increase the saturated output power or improve NF while gaining gain, and various operation states can be realized according to the use of the optical amplifying element.
なお、図8の実施形態でも、導波路の構成、コア層もしくは利得媒質の組成および構造、SCH構造の有無などは、図1の実施形態と同様に様々な変形を施すことができる。また、図10の実施形態では、入力導波路1302および出力導波路1304についても、InGaAsPをコアとした利得媒質からなるシングルモード導波路から構成する方法について説明したが、図6と同様に、入力導波路1302および出力導波路1304が入力信号光1311の波長に対して透明な媒質を用いて構成されるようにしてもよい。 In the embodiment of FIG. 8 as well, the configuration of the waveguide, the composition and structure of the core layer or gain medium, the presence or absence of the SCH structure, and the like can be variously modified as in the embodiment of FIG. In the embodiment of FIG. 10, the input waveguide 1302 and the output waveguide 1304 have also been described with respect to the method of configuring a single mode waveguide made of a gain medium having InGaAsP as a core. The waveguide 1302 and the output waveguide 1304 may be configured using a medium that is transparent with respect to the wavelength of the input signal light 1311.
また、上述した実施形態では、m=1の場合について説明したが、各多モード導波路1303a〜1303cの長さはそれぞれ独立に(1)式を満たせばよく、m=1に限定されることなく、多モード導波路1303a〜1303cごとに任意の整数mを用いた場合にも本発明の効果が期待できる。さらに、上述した実施形態では、多モード導波路1303a〜1303cを3段接続する方法について説明したが、3段に限定されることなく、n(nは正の整数)段構成なら何段でもよい。 In the above-described embodiment, the case where m = 1 has been described. However, the lengths of the multimode waveguides 1303a to 1303c may satisfy the equation (1) independently and are limited to m = 1. The effect of the present invention can also be expected when an arbitrary integer m is used for each of the multimode waveguides 1303a to 1303c. Further, in the above-described embodiment, the method of connecting the multi-mode waveguides 1303a to 1303c in three stages has been described. .
次に、上述した実施形態の効果が期待できるような構造パラメータに範囲について説明する。
上述した光増幅素子では、入力信号光に対しては進行波型の増幅が行われ、多モード導波路の幅方向にはレーザ発振が生じる。このため、高反射膜の反射率RH、i番目の多モード導波路の幅Wi、i番目の多モード導波路の長さLiおよび反射防止膜の反射率RARとの関係は、以下のように説明される。クランプされた単位長さ当たりの利得をGclamp_i(dB)とすると、多モード導波路の幅方向で発振が生じるためのしきい値利得Glateralは、
Glateral=Gclamp_i×Wi=−10×log(RH)(dB)・・・(6)
一方、信号光の伝搬方向で発振が生じないようにするためには、反射防止膜での反射によるキャビティ内の反射損失が信号利得Gsignalよりも大きいことが必要である。反射防止膜での反射によるキャビティ内の反射損失は、10×log(RAR)で表されるため、信号光の伝搬方向で発振が生じないようにするためには、
Next, the range of structural parameters that can be expected to have the effects of the above-described embodiment will be described.
In the optical amplifying element described above, traveling wave type amplification is performed on the input signal light, and laser oscillation occurs in the width direction of the multimode waveguide. For this reason, the relationship between the reflectivity R H of the highly reflective film, the width W i of the i-th multimode waveguide, the length L i of the i-th multimode waveguide, and the reflectivity R AR of the antireflection film is This will be explained as follows. When the clamped gain per unit length is G clamp — i (dB), the threshold gain G lateral for causing oscillation in the width direction of the multimode waveguide is
G lateral = G clamp — i × W i = −10 × log (R H ) (dB) (6)
On the other hand, in order to prevent oscillation in the propagation direction of the signal light, it is necessary that the reflection loss in the cavity due to reflection by the antireflection film is larger than the signal gain G signal . Since the reflection loss in the cavity due to reflection by the antireflection film is expressed by 10 × log (R AR ), in order to prevent oscillation in the propagation direction of the signal light,
という条件を満たすことが必要である。ここで、nは多モード導波路の個数である。(6)式および(7)式を用いて(7)式のGclampを消去すると、 It is necessary to satisfy this condition. Here, n is the number of multimode waveguides. When the G clamp of the formula (7) is deleted using the formula (6) and the formula (7),
となる。各構造パラメータの関係が(8)式の関係を満たせば、上述した光増幅素子の動作が期待できる。 It becomes. If the relationship between the structural parameters satisfies the relationship of equation (8), the operation of the above-described optical amplifying element can be expected.
上述した光増幅素子は、光通信、光交換、光情報処理などの光を利用した光伝送処理システムなどの用途に適用することができ、特に、波長多重数による光信号の利得変動を防止することを可能としつつ、波長多重光伝送システムの大型化を抑制することが可能となる。 The above-described optical amplifying element can be applied to applications such as optical transmission processing systems using light such as optical communication, optical exchange, and optical information processing, and in particular, prevents fluctuations in gain of an optical signal due to the number of wavelength multiplexing. This makes it possible to suppress an increase in the size of the wavelength division multiplexing optical transmission system.
401、501、601、701、901、1001、1101、1201、1301n−InP基板
402、602、802、902、1102、1302 入力導波路
403a〜403c、603、903a〜903c、1103a〜1103c、1303a〜1303c 多モード導波路
404、604、804、904、1104、1304 出力導波路
405、406、605、606、905、906、1105、1106、1305、1306 端面
407、408、607、608、907、908、1107、1108、1307、1308 反射防止膜
409、410、509、510、609、610709、710、909、910、1109、1110、1309、1310 高反射膜
411、611、911、1111、1311 入力信号光
412、612、912、1112、1312 出力信号光
502、702、1002、1003a〜1003c、1202 InGaAsP活性層
503、703 p−InP電流ブロック層
504、704 n−InP電流ブロック層
505、705、1005、1205 p−InPクラッド層
506、706、1006a〜1006c、1206a〜1206c p−GaInAsキャップ層
507、707、1007a〜1007c、1207a〜1207c p側電極
508、708、1008、1208 n側電極
711 InGaAsP分離閉じ込め層
413a、413b、913a、913b、1113a、1113b 接続導波路
1002 InGaAsP入力導波路コア層
1009a〜1009b InGaAsP接続導波路コア層
1004 InGaAsP出力導波路コア層
401, 501, 601, 701, 901, 1001, 1101, 1201, 1301 n-InP substrate 402, 602, 802, 902, 1102, 1302 Input waveguides 403a to 403c, 603, 903a to 903c, 1103a to 1103c, 1303a to 1303c Multimode waveguide 404, 604, 804, 904, 1104, 1304 Output waveguide 405, 406, 605, 606, 905, 906, 1105, 1106, 1305, 1306 End face 407, 408, 607, 608, 907, 908 1107, 1108, 1307, 1308 Antireflection film 409, 410, 509, 510, 609, 610709, 710, 909, 910, 1109, 1110, 1309, 1310 High reflection film 411, 611, 911, 11 11, 1311 Input signal light 412, 612, 912, 1112, 1312 Output signal light 502, 702, 1002, 1003a to 1003c, 1202 InGaAsP active layer 503, 703 p-InP current blocking layer 504, 704 n-InP current blocking layer 505, 705, 1005, 1205 p-InP cladding layer 506, 706, 1006a to 1006c, 1206a to 1206c p-GaInAs cap layer 507, 707, 1007a to 1007c, 1207a to 1207c p-side electrode 508, 708, 1008, 1208 n Side electrode 711 InGaAsP separation confinement layer 413a, 413b, 913a, 913b, 1113a, 1113b Connection waveguide 1002 InGaAsP input waveguide core layer 1009a-1009b InGaAsP connection waveguide core layer 1004 InGaAsP output waveguide core layer
Claims (11)
少なくとも1つが前記入力導波路に光学的に結合され、複数モードの光を導波させるとともに、少なくとも一部に利得媒質を含むように構成された複数の多モード導波路と、
前記多モード導波路の少なくとも1つが光学的に結合され、単一モードの光を導波させる出力導波路と、
前記利得媒質から放射される自然放出光を反射させることにより、前記入力導波路を介して前記多モード導波路に入射された光の伝搬方向と交差する方向に発振を起こさせる反射領域とを前記多モード導波路において前記多モード導波路に入射された光の利得領域と発振した光の利得領域が一致するように備え、
前記反射領域には高反射膜が形成され、
前記入力導波路および前記入力導波路の端面には反射防止膜が形成され、
前記多モード導波路の長さをそれぞれLi、幅をそれぞれWi、前記高反射膜の反射率をRH、反射防止膜の反射率をRARとすると、
A plurality of multimode waveguides configured to at least one be optically coupled to the input waveguide to guide a plurality of modes of light and to include a gain medium at least in part;
An output waveguide in which at least one of the multimode waveguides is optically coupled to guide single mode light;
Reflecting the spontaneous emission light radiated from the gain medium so as to cause the reflection region to oscillate in a direction crossing the propagation direction of the light incident on the multimode waveguide via the input waveguide; In the multimode waveguide, the gain region of the light incident on the multimode waveguide and the gain region of the oscillated light are matched to each other,
A highly reflective film is formed in the reflective region,
An antireflection film is formed on the input waveguide and the end face of the input waveguide,
When the length of the multimode waveguide is L i , the width is W i , the reflectance of the high reflection film is R H , and the reflectance of the antireflection film is R AR ,
Li=mi・neqi・Wi2/λ(ただし、miは正の整数)
であることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項記載の光増幅素子。 Of at least two multimode waveguides, if the length of the i-th multimode waveguide is L i , the width is W i , the refractive index is n eqi , and the signal light wavelength is λ,
L i = m i · n eqi · Wi 2 / λ (where m i is a positive integer)
The optical amplifying element according to claim 1, wherein
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|---|---|---|---|
| JP2007270973A Pending JP2008034882A (en) | 2007-10-18 | 2007-10-18 | Optical amplification element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2008034882A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006120862A (en) * | 2004-10-21 | 2006-05-11 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Optical amplification element |
-
2007
- 2007-10-18 JP JP2007270973A patent/JP2008034882A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006120862A (en) * | 2004-10-21 | 2006-05-11 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Optical amplification element |
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Legal Events
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| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080411 |
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| A02 | Decision of refusal |
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