JP3149987B2

JP3149987B2 - 半導体光増幅素子およびその使用法

Info

Publication number: JP3149987B2
Application number: JP09578592A
Authority: JP
Inventors: 淳新田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-03-23
Filing date: 1992-03-23
Publication date: 2001-03-26
Anticipated expiration: 2016-03-26
Also published as: JPH05267795A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特定の波長の光が増幅
されているか否かを接合の両端電圧の変化で検知可能な
半導体光増幅素子とその使用方法、定電流動作している
状態で入力光信号により生じる印加電圧の変化を用いる
半導体光増幅素子およびその使用法などの、複数の増幅
領域を有しその内の少なくとも１つは増幅時の電圧変化
を検知する領域になっている半導体光増幅素子及びその
使用法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体光増幅素子で光を増幅する
時、その光の波長が如何なる範囲の波長であるかを知る
には、半導体光増幅素子への入力前に入力光を、或は増
幅光の一部を分岐して、これを波長検出手段を有した検
出部に入力して、その光の波長を検知していた。

【０００３】また、従来、半導体光増幅素子のＡＰＣ増
幅動作（出力光パワーを一定にするように制御して増幅
動作を行うこと）を行なうには、光信号増幅時の光増幅
素子に発生する電圧変化を用いる方式があった。

【０００４】図３５に、このような方式を説明するため
の図を示す。同図において、６０１は入力光、６０２は
半導体光増幅素子、６０３は出力光、６０４は制御回
路、６０５は電源、６０６はバイアスＴである。例え
ば、入力信号６０１はディジタル信号であって、この信
号に対して、ディジタル信号の伝送レートより十分緩や
かな正弦波信号を重ねておく。この様にすると、半導体
光増幅素子６０２で光信号６０１が増幅される時に生じ
る電圧変化が、バイアスＴ６０６により、制御回路６０
４へ入力され、正弦波の周波数に同期した電圧変化量が
一定になる様に電源６０５へ制御信号が送られる。こう
して、電源６０５から半導体光増幅素子６０２へ流すバ
イアス電流を変化させることにより、ＡＰＣ増幅動作を
達成していた。

【０００５】

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、上
記第１の増幅波長検知の従来例では、信号光の一部を分
岐するために光の損失が伴い、更に分岐するための光学
部品を必要とする欠点があった。

【０００６】また、上記第２のＡＰＣ増幅動作の従来例
では次の如き欠点があった。即ち、半導体光増幅素子６
０２中を入力光信号が進行するときに、これは、電流注
入により形成された反転分布による誘導放出により増幅
されて出力光となる。この増幅作用は半導体光増幅素子
６０２の活性層中のキャリアの再結合をともなう現象で
ある。従って、増幅動作中は、非増幅時と比べて活性層
中のキャリア密度が小さくなり、接合両端に生ずる電圧
が減少する。この様な電圧変化の量は、入力光が大きい
程、或は増幅率が大きい程大きくなる。しかしながら、
上記第２の従来例の様に、２枚の対向する電極からだけ
電流注入を行い電圧変化を検知する構成では、次の様に
なる。

【０００７】１．入力光６０１が光増幅素子６０２中を
進行するに従い、増幅されて大きくなるので、進行方向
に沿って電圧変化が徐々に大きくなり、電圧変化量が平
均化された状態でしか検知でできない。

【０００８】２．光が進行する方向に電圧勾配が生じる
ので、進行方向に電流が流れて、素子全体の増幅率を低
下させる。

【０００９】３．電圧変化を検出する部分と増幅率を調
整する部分が同じ領域なので、制御が難しい。

【００１０】従って、本発明は上記の問題点に鑑みてな
されたもので、その目的は、特定の波長の光が増幅され
ているか否かを接合の両端電圧の変化で検知可能な半導
体光増幅素子とその使用方法、定電流動作している状態
で入力光信号により生じる印加電圧の変化を用いる半導
体光増幅素子およびその使用法などの、複数の増幅領域
を有しその内の少なくとも１つは増幅時の電圧変化を検
知する領域になっている半導体光増幅素子及びその使用
法を提供することにある。本発明では増幅時の電圧変化
が首尾よく検知されるが、その使用目的は種々に設定さ
れうる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、半導体
レーザ構造を用いた半導体光増幅素子において、増幅領
域が光の進行する方向に少なくとも２つ以上の領域に電
気的にだけ分離されていて、少なくとも１つの分離され
た増幅領域が任意の波長範囲に利得を有し、他の増幅領
域がこの任意の利得波長範囲と重なり部分を有する利得
波長範囲を有する様に調整可能である半導体光増幅素子
が構成される。

【００１２】また、本発明によれば、半導体光増幅素子
の活性領域の１部に増幅光の波長に敏感な活性領域（検
出領域、例えば量子井戸や量子細線から構成される）を
設けて、その領域の光増幅時の電圧変化を検知すること
により、該検出領域で決まる波長の光を増幅しているか
どうかを検知できるようにしている。

【００１３】更に、本発明によれば、半導体レーザアン
プにおいて、増幅時の電圧変化を検知する部分と、増幅
率を変化させる部分を分離する構造にし、検知部分の電
圧変化量に応じて、増幅率を変化させる部分に流す電流
を調整する制御回路を設けることにより、従来より大き
な電圧変化が得られるようになり、さらに容易にＡＰＣ
増幅動作できるようにしたものである。

【００１４】より具体的な構成及びこれらの使用法ない
し適用例は以下の実施例の説明から明らかとなるが、以
下に、その代表例を列記する。上記構成において、入出
力端面に反射防止膜が形成されていてもよい。増幅領域
が３つに分離されていて、１つが第１の活性層の増幅領
域で、その他が第２の活性層の増幅領域である構成にお
いて、前記第１の活性層の１つの増幅領域が中央にあ
る。増幅領域が３つに分離されていて、２つが第１の活
性層の増幅領域であり且つこの２つの第１の活性層が異
なるエネルギー準位を持っていて、残りの増幅領域が第
２の活性層からなる構成において、前記第１の活性層の
２つの増幅領域の１つが中央にある。増幅領域が４つに
分離されていて、２つの増幅領域がエネルギー準位の異
なる第１活性層から構成されていて、他の増幅領域が第
２の活性層を有している構成において、前記第１の活性
層の２つの増幅領域は中央にある。また、半導体レーザ
構造を用いた半導体光増幅素子において、増幅領域が光
の進行する方向に少なくとも２つ以上の領域に電気的に
分離されていて、該分離された増幅領域の少なくとも１
つ以上で、多くとも分離された領域の数より１つ少ない
増幅領域の光増幅時の電圧変化を検知し、検知した結果
に基づいて、電圧変化を検知した領域以外の残りの領域
への注入電流量を制御する手段を有する構成において、
入出力端面に反射防止膜が形成されている。電圧検知す
る増幅領域に、光が、該電圧検知する増幅領域以外の少
なくとも１つの増幅領域中を進行しそして増幅されてか
ら、入力されるように構成される場合において、増幅領
域が３つに分離されていて、中央の１つが電圧検出領域
である。更に、光送信機が、端末装置からの信号をもと
に、発光デバイスを駆動し光信号を出力させる制御部
と、電気信号を光信号に変換する該光デバイスを含む発
光部と、発光部からの光信号を増幅する上記の半導体光
増幅素子から構成され得る。また、光受信機が、光信号
を増幅する上記の半導体光増幅素子と、増幅された光信
号を電気信号へ変換する光検出部と、光検出部からの電
気信号を再生して端末装置へ信号を送る機能を有する制
御回路から構成され得る。前記光検出部にバンドパスフ
ィルターが付加されてもよい。半導体光増幅装置が、上
記の半導体光増幅素子と、該素子との入出力を行うため
の先球光ファイバから構成され得る。また、片方向光通
信システムが、上記の光送信機、光受信機、半導体光増
幅装置のうち少なくとも１つを含んで構成され得る。ま
た、光送受信機が、電気信号にしたがって光信号を発生
する発光デバイスと、光信号を電気信号に変換する光検
出部と、端末装置からの信号をもとに該発光デバイスを
駆動し光信号を出力させる機能と該光検出部からの電気
信号を再生中継して端末装置へ送る機能とを持つ制御部
と、該発光デバイスから出力された光信号を増幅する上
記の半導体光増幅素子と、該光検出部へ入力される光信
号を増幅する上記の半導体光増幅素子と、該２つの半導
体光増幅素子に接続された光分岐合流素子から構成され
得る。更に、双方向光通信システムが、上記の半導体光
増幅装置、光送受信機のうち少なくとも１つを含んで構
成され得る。また、片方向波長多重光通信システムが、
上記の光送信機を２つ以上の複数個と上記の光受信機、
半導体光増幅装置のうち少なくとも１つを含んで構成さ
れ得る。また、光ループ型ＬＡＮが、上記の半導体光増
幅装置を少なくとも１つ含んで構成され得る。また、光
パッシブバス型ＬＡＮが、上記の半導体光増幅装置、光
送受信機のうち少なくとも１つを含んで構成され得る。
また、損失補償型光分岐合流素子が、光分岐合流素子を
有し、上記の半導体光増幅素子が、該光分岐合流素子の
入出力部の少なくとも１カ所以上に接続されて構成され
得る。また、上記光パッシブバス型ＬＡＮは、この損失
補償型光分岐合流素子を少なくとも１つ用いてもよい。
また、半導体光増幅装置が、上記の半導体光増幅素子
と、該半導体光増幅素子と光を結合する手段と、該半導
体光増幅素子からの２つの電圧を入力として、該光を結
合する手段に結合効率を変化させる信号を送出する制御
回路から構成され得る。ここで、光を結合する手段が先
球光ファイバから構成され得る。この場合、半導体光増
幅装置は、結合効率を変化させることが、前記制御回路
からの信号に基づいて先球光ファイバを支持している３
軸微調機構で行われる様に構成し得る。更に、半導体光
増幅素子は、半導体レーザ構造を用いた半導体光増幅素
子において、増幅領域が光の進行する方向に少なくとも
２つ以上の領域に電気的に分離されて光学的には結合し
ていて、少なくとも１つの分離された増幅領域が任意の
波長範囲に利得を有し、他の増幅領域がこの任意の利得
波長範囲と重なり部分を有する利得波長範囲を有する様
に調整可能である様に構成され得る。

【００１５】

【実施例１】図１、２は本発明の第１の実施例の特徴を
最もよく表わす図面である。図２は、図１のＡ−Ａ´切
断面である。同図において、１は例えばｎ−ＧａＡｓか
らなる半導体基板、２は例えばｎ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ
からなる第１クラッド層、３ａは例えばノンドープＡｌ
_0.01Ｇａ_0.99Ａｓからなる第１活性層、３ｂ（図２にの
み示される）は例えば量子井戸構造で、井戸幅６ｎｍ、
障壁層がＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓから構成されている単一量
子井戸の第２活性層、４は例えばｐ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａ
ｓからなる第２クラッド層、５は例えばｐ−ＧａＡｓか
らなるキャップ層、６は例えばｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ
からなる第１埋め込み層、７は例えばｎ−Ａｌ_0.5Ｇａ
_0.5Ａｓからなる第２埋め込み層、８は例えば金とゲル
マニウムからなり基板１の裏面に形成された第１電極、
９は例えば金とクロムの合金からなり第１活性層３ａ上
に形成されている第２電極、１０は例えば金とクロムの
合金からなり第２活性層３ｂ上に形成されている第３電
極、１１は端末に形成されている反射防止膜（例えば、
ＺｒＯ₂からなる）、１２は第２電極９と第１電極８に
より第１活性層３ａへ注入されている注入電流Ｉ_a、１
３は第３電極１０と第１電極８により第２活性層３ｂへ
注入されている注入電流Ｉ_D、１４は第３電極１０と第
１電極８の間に生じる電圧Ｖ_D、１５は第１活性層３ａ
と第２活性層３ｂとを電気的に分離するための分離溝で
ある。

【００１６】この第１の実施例では、第１活性層３ａが
広帯域な波長範囲で増幅を行ない、第２活性層３ｂが比
較的特定の波長で増幅を行なう。以下、前者の役割をも
つ活性領域を一般増幅領域、後者のものを波長検知領域
と記述する。

【００１７】次に本実施例の動作について説明する。光
が本実施例の光増幅素子内を進行するに従い増幅をうけ
るが、その前に、各領域への注入電流量を、素子が所望
の特性となるように設定しておかなければならない。ま
ず、一般増幅領域では、その増幅波長範囲が波長検知領
域の増幅波長範囲を含むように注入電流量Ｉ_aを選ぶ。
波長検知領域に対しては、注入電流密度が多いと、利得
スペクトルの幅が広がってしまうので、例えば、その幅
が１０ｎｍ程度になるように電流Ｉ_Dを注入する（図３
参照）。この状態で、光を一般増幅領域側の端面から入
力すると、これは、一般増幅領域を進行しながら増幅作
用を受け、続いて、波長検知領域に入って増幅作用をう
けて出力される。

【００１８】波長検知領域を定電流動作させておくと、
検出電圧Ｖ_D１４は、増幅している光の波長により、次
の３つの挙動を示す。

【００１９】図３に示す波長の領域Ｉの場合（つまり、
第１活性層３ａと第２活性層３ｂのバンドギャップ波長
の間の領域）では、一般増幅領域で増幅された光は、波
長検出領域では、ほとんど相互作用せずに透過して出力
光となる。従って、電圧Ｖ_D１４は変化しない。

【００２０】図３の領域ＩＩの波長範囲の光の場合、光
は波長検出領域でも増幅されて出力されるので、この領
域のキャリアを消費し、定電流動作のために検出電圧Ｖ
_Dを小さくする方向に作用する。図３の領域ＩＩＩの波
長範囲の場合、波長検出領域では、光は吸収されキャリ
アを増加させるので、電圧Ｖ_D１４を大きくする方向に
作用する。この様に、本実施例では波長検出領域の電圧
変化によって、増幅している光の波長がどの波長範囲に
あるかを知ることができる。

【００２１】上記説明では、入力光を、一般増幅領域の
側から入力したが、もちろん逆から入力してもこの様な
動作を得ることができる。しかし、キャリア消費による
電圧変化は光が強い程大きいので、一般増幅領域から入
力した方が簡単に電圧変化を検知することができる。

【００２２】図４に、双方向動作時に、或る程度の電圧
変化を検出可能な構成の変形例を示す。図４において、
図１、図２の部分と同一の部材には同一番号をつけた。
図４の構成では、波長検出領域を半導体光増幅素子の中
央部に配置することにより、どちら側から入力された光
も注入電流Ｉ_a1１２１、Ｉ_a2１２２の一般増幅領域１、
２によって増幅されてから、波長検出領域に到達するの
で、いずれから来た光に対しても検出電圧の変化量を大
きくすることができる。動作原理は図１の実施例と同じ
である。

【００２３】また、一般増幅領域と波長検出領域を構成
する活性層を同一構造のものにしても、各領域への注入
電流密度に差をつけることにより同様の動作を実現する
ことができる。この場合の各領域での利得スペクトルの
例を図５に示す。この場合、図３で説明した波長領域Ｉ
はなく、領域ＩＩ（波長検出領域の検出電圧が小さくな
る）と領域ＩＩＩ（波長検出領域の電圧が大きくなる）
だけになる。

【００２４】

【実施例２】図６に本発明の第２の実施例を示した。
図６は第１の実施例の図２に対応する図である。図６に
おいて、図１、図２と同一部材は同一番号をつけてあ
る。新たに本図で示したものについて説明を行う。図６
において、３ｃは第３活性層で、例えば、井戸幅５ｎｍ
のＧａＡｓから構成される。１０ｂ、１０ｃはそれぞれ
第３電極、第４電極で例えば金とクロムの合金から形成
される。１３１、１３２はそれぞれ第２活性層１０ｂお
よび第３活性層１０ｃへ注入している注入電流Ｉ_Ｄ１、
Ｉ_Ｄ２であり、１５１、１５２はそれぞれ第３電極１０
ｂと第１電極８間の電圧Ｖ_Ｄ１と第４電極１０ｃと第１
電極８間の電圧Ｖ_Ｄ２である。以下、第２活性層３ｂか
ら構成される増幅部分を波長検出領域１、第３活性層３
ｃから構成される増幅部分を波長検出領域２と記述す
る。

【００２５】本実施例の基本的な動作は第１の実施例と
ほぼ同様である。この実施例では、波長検出領域を２つ
の異なる波長に反応するように設けてある。すなわち、
これが波長検出領域１と２である。それぞれの領域への
電流注入量Ｉ_D1，Ｉ_D2を調整して、各領域の利得スペク
トルを図７の様になるようにしておく。波長検出領域１
と２のそれぞれ利得スペクトルの中心波長が８４０ｎｍ
と８５５ｎｍで、利得が０となる幅を１０ｎｍとしてお
く。更に、活性層３ａの一般増幅領域は、これら波長検
出領域１と２の波長域を含んで利得係数スペクトルが広
がる様に設定しておく。この様な利得係数スペクトルに
なるごとく各領域に電流を流しておき、光増幅動作を行
うと、増幅光の波長範囲によって各波長検出領域１と２
の電圧変化の状況が異なる。

【００２６】図８に、これら電圧Ｖ_Ｄ１，Ｖ_Ｄ２の電圧
変化を増幅光の波長ごとにまとめた表を示した。図中
で、＋は電圧が増加する方向に変化するもの、−は電圧
が減少する方向に変化するもの、０はほとんど変化しな
い領域である。この様に、２つの波長検出領域１と２の
電圧Ｖ_Ｄ１１５１およびＶ_Ｄ２１５２の電圧変化量を検
知することにより、どの波長範囲の光を増幅しているか
を容易に知ることが可能となる。

【００２７】また、本実施例を図４の様に構成（すなわ
ち、波長検出領域１と２が半導体光増幅素子の中央部に
設けられている）することにより、どちらの方向から光
が入力されても大きな電圧変化を得ることが可能とな
る。

【００２８】本実施例では、波長検出領域が２つある例
を示したが、それぞれ利得係数スペクトルが異なる３つ
以上の波長検出領域があれば、より細かく増幅している
光の波長範囲を知ることが可能となる。

【００２９】以上説明した２つの実施例では、１つの波
長の光を増幅する時には、特に効果的に増幅される光の
波長範囲を知ることが可能となる。

【００３０】しかし、波長多重信号の増幅の場合のごと
き複数の波長の光が同時に増幅される場合は、波長検出
領域の利得スペクトルの波長幅（利得が０となる幅）と
波長多重信号の波長間隔の関係によっては、１つの波長
検出領域で複数の信号光による電圧変化が互いに打ち消
す方向に発生する可能性がある。

【００３１】この場合、波長検出領域の利得スペクトル
波長幅を狭くすることにより、この様な問題をなくすこ
とができる。しかし、波長検出領域の利得スペクトル波
長幅を狭くするには、そこへの電流注入量を減らさなけ
ればならず、それでは利得係数を全体的に小さくしてし
まい、検出電圧の変化量を大きくとることができない。
この様な場合は、量子細線など、より狭い波長範囲に状
態密度関数が集中している活性領域を用いることによ
り、検出電圧変化量が大きいまま波長選択性（利得スペ
クトル波長幅の狭さ）を向上させることが可能となる。

【００３２】また、第１、第２の実施例の中では、Ｇａ
Ａｓ系の材料を基調としたデバイスの構成例を示した
が、もちろんＩｎＰ系の材料を用いても同様の効果が得
られるデバイスを実現することができる。

【００３３】第１、第２の実施例では、埋め込み構成に
よる導波路を用いたが、リッジ構造、ストライプ構造、
ＳＣＨ構造、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造など、従来の半導体
レーザで用いられている導波構造であればどのような構
造でも用いることができる。

【００３４】また、第１、第２の実施例ではバルク活性
層と量子井戸活性層で構成した例を示したが（図５の例
を除いて）、例えば、量子井戸活性層のかわりに、量子
細線の活性層を用いれば検出電圧の小さくなる（変化す
る）波長範囲をより狭くすることが可能となる。

【００３５】以上の実施例では入力される光についての
波長の記述であったので、ここで若干補足しておく。仮
に、光がディジタル信号である場合、そのディジタル信
号の伝送レートより十分に周波数の低い正弦波信号での
変調を加え、波長検出領域の電圧変化を検知する場合
に、この変調周波数に同期した電圧変化を測定すること
により、より微弱な電圧変化も検出が可能となる（この
ような方式は、従来、半導体光増幅素子のＡＰＣ制御で
用いられていた）。これについては後述の実施例に説明
がある。

【００３６】

【実施例３】第１、第２の実施例で示したような本発明
の半導体光増幅素子の構成を用いた応用例を図９に示し
た。

【００３７】図９において、２０は例えば図４に示され
る半導体光増幅素子、２１は入力光、２２は入力光が増
幅された出力光、２３は制御回路、２４、２５、２６は
電源１、２、３である。また、図４と同様、１４は波長
検出領域の電圧Ｖ_D、１３は波長検出領域への注入電流
Ｉ_D、１２１、１２２は一般増幅領域１と２への注入電
流Ｉ_a1、Ｉ_a2である。

【００３８】制御回路２３は、波長検出領域の電圧変化
を検知して、注入電流Ｉ_a1１２１とＩ_a2１２２の量を、
電源１（２４）と電源２（２５）へ制御信号を送ること
により制御する機能を持っている。

【００３９】このような構成にすることにより、入力波
長によりオン・オフする光ゲートを構成することが可能
となる。そのために、先ず、注入電流Ｉ_a1、Ｉ_a2とＩ_D
を調整して、図３に示されるような利得分散特性を持た
せておく。

【００４０】そこで、例えば、図３の領域ＩＩの光が入
力された時に、注入電流Ｉ_a2１２２を０にして、領域Ｉ
ＩＩの光が入力された時に、注入電流Ｉ_a2を流すように
しておく。更に、実際に増幅したい光の波長は領域ＩＩ
Ｉの波長としておく。この様にしておくことで、光の波
長でスイッチ動作する光スイッチ（領域ＩＩの光はオフ
とし、領域ＩＩＩの光をオンとする）を構成できる。

【００４１】光の波長の意味は一例として示したもの
で、注入電流を適当に制御することで、領域Ｉをオフに
領域ＩＩをオンに領域ＩＩＩを信号光にと割り当てるこ
ともできる。組み合わせなので、この場合は６（３！）
通りになる。

【００４２】また、第２の実施例の様に複数の波長に対
応した構成の場合、より高度な制御も可能となる。例え
ば、第２の実施例の様なデバイスを図４のような構成に
した場合について考える。第２の実施例の説明で述べた
様に、この構成では５通りの状態を区別できる。

【００４３】動作例を図１０を用いて説明する。本デバ
イスをスイッチさせるための波長を、８４０ｎｍと８５
５ｎｍと８４８ｎｍの３つの波長に選ぶ。入力側の一般
増幅領域１は、図１０の状態１の利得分散特性を持つよ
うに注入電流を設定しておく。この状態で、例えば、８
５５ｎｍの光が入力されたら、出力側の一般増幅領域２
に、状態１の利得分散特性をもつように電流注入を行な
う。そして、８４８ｎｍの光が入力されたら一般増幅領
域２を状態２にし、８４０ｎｍの光が入力されたら一般
増幅領域２への電流注入を停止するように、制御回路２
３を設定しておく。仮に、通信等に用いている波長が図
１０の領域ＩとＩＩに分布しているとすると、外からの
光信号を用いて、所望の波長域の光を通過させることが
可能である。

【００４４】

【実施例４】図１１は、本実施例の特徴を最もよく表わ
す図面である。図１２は、図１１のＡ−Ａ´面での断面
図である。基本的構造は第１の実施例と同じであるが、
以下にその構造を説明する。同図において、３１は例え
ばｎ型ＧａＡｓから構成される半導体基板、３２は例え
ばｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓから構成される第１クラッド
層、３３は例えばノンドープＧａＡｓからなる活性層、
３４は例えばＰ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓからなる第２クラ
ッド層、３５は例えばｐ−ＧａＡｓからなるキャップ
層、３６は例えばｐ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓからなる第１
埋め込み層、３７は例えばｎ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓから
なる第２埋め込み層、３８は例えば金とゲルマニウムの
合金からなる第１電極、３９，４０は例えば金とクロム
の合金からなる第２電極および第３電極、４１は半導体
光増幅素子の入出力端面に形成された例えばＺｒＯ₂か
らなる反射防止膜、４２，４３は注入電流、４４は第１
電極３８と第３電極４０間の電圧、４５は第１電極３８
と第２電極３９により電流を流す部分（以後、領域Ｉと
する）と第１電極３８と第３電極４０により電流を流す
部分（以後、領域ＩＩ）とを電気的に分離するために設
けた溝である。

【００４５】本実例の典型的な寸法を記述しておく。第
１クラッド層３２は厚さ１．５μｍ、活性層３３は厚さ
０．１μｍ、第２クラッド層３４は厚さ１．５μｍ、キ
ャップ層３５は厚さ０．５μｍ、活性層３３の幅は約
１．５μｍ、領域Ｉの長さが約２００μｍ、領域ＩＩの
長さが約５０μｍ、分離溝４５が約５０μｍである。

【００４６】このような構造の半導体増幅素子は、既存
の結晶成長法であるＭＢＥ（分子線エピタキシー）成長
法、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法、ＬＰＥ（液相
エピタキシャル）成長法を用いて作った元ウェハ（半導
体基板上に薄膜が積層されたもの）に、フォトリソグラ
フィー、ドライエッチング、蒸着などの既存の加工法に
よって、容易に作製することができる。

【００４７】次に本実施例の動作について説明する。最
初に図１１、図１２で示される半導体光増幅素子の動作
について述べる。例えば図１２において、左側より活性
層３３、第１クラッド層３２、第２クラッド層３４、埋
め込み層３６，３７により構成される導波路へレンズ等
の結合手段を用いて、光信号が入力されると、注入電流
Ｉ_a４２により形成された領域Ｉの増幅部分により増幅
されながら進行し、領域ＩＩの活性領域（注入電流Ｉ_D
により反転分布が形成されている）へと進みさら更に増
幅作用をうけて、領域ＩＩ側の端面から出力される。

【００４８】基本的な動作は、上述の様になっている。
ここで、領域Ｉへ流す電流Ｉ_a４２と、領域ＩＩへ流す
電流Ｉ_D４３を調整することにより、図１３に示される
様な、利得分散特性を持つ様にすることができる。つま
り、領域ＩＩの利得特性が、そのピーク値でも半値幅で
も領域Ｉよりも小さく、しかも狭く設定できる。本実施
例の場合、活性層がバルク結晶から構成されている例を
用いているので注入電流密度を領域Ｉより領域ＩＩで小
さくすればこの状況が達成できる。この様な状況で、本
実施例の半導体光増幅素子に光信号を入力すると、領域
Ｉで増幅作用を受け、光量が大きくなった光信号が領域
ＩＩへ入力し、領域ＩＩの活性層中のキャリアを再結合
させる。このとき、領域ＩＩの注入電流密度が小さいの
で、増幅された光信号によりキャリアの再結合が起き、
検出電圧Ｖ_D４４が変化する。この時に、領域ＩとＩＩ
への注入電流密度は同じ量であってもよいが、差をつけ
ることにより、電圧の変化を大きくすることができる。

【００４９】次に、本実施例を従来例に示したＡＰＣ動
作させる場合の構成を図１４に示した。図１４で、４６
は入力光、４７は出力光、４８は制御回路、４９は本発
明の半導体光増幅素子、５０は領域Ｉへの注入電流Ｉ_a
４２を流す電源、５１は領域ＩＩへの注入電流Ｉ_D４３
を流す電源、５２は制御回路４８からの、電源５０が流
す電流Ｉ_a４２の量を調整するための制御信号、５３は
同様に電流Ｉ_D４３の量を調整するための制御信号であ
る。

【００５０】入力光４６は、通信したいディジタル信号
に加えて、ディジタル信号の周波数より大幅にゆっくり
した正弦波変調で、０のレベルを変調しておく。この様
にすることにより、制御回路４８は、検出電圧Ｖ_D４４
から、この正弦波成分だけを分離することにより、領域
ＩＩの電圧変化を知ることができる。この電圧変化は領
域ＩＩへどの程度の強度の光がきているかを判断できる
量となる。つまり、強い光が入力されれば、電圧変化は
大きいのである。従って、この電圧変化を或る一定の値
にする様に領域Ｉへ流す電流Ｉ_a４２の量を調整すべ
く、制御回路４８は、制御信号５３を電源５０へ送るこ
とにより、ＡＰＣ動作が可能となる。本実施例では、基
調となる半導体レーザ構造として、埋め込み構造で活性
層がバルク活性から構成されたものを用いて説明した。
しかし、導波構造は、この構造に限定されたものではな
く、リッジ構造、ストライプ構造、ＳＣＨ構造、ＧＲＩ
Ｎ−ＳＣＨ構造など、従来の半導体レーザに用いられて
いるどの様な構成でも実施することが可能である。ま
た、活性領域も、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造、単一量
子井戸構造、量子細線、量子箱なども用いることができ
る。

【００５１】また、本実施例では、両端面に反射防止膜
が形成された構造、いわゆる進行波型光増幅器として説
明したが、両端面に、反射防止膜が形成されていないも
のでも構わない。

【００５２】

【実施例５】図１５に、本発明の第５の実施例を示し
た。図１５は第４の実施例の図１２に対応する図であ
る。図１５において第４の実施例と同一部材は同じ番号
をつけてある。

【００５３】本実施例の典型的な寸法を記述しておく。
第１クラッド層３２は厚さ１．５μｍ、活性層３３は厚
さ０．１μｍ、第２クラッド層３４は厚さ１．５μｍ、
キャップ層３５は厚さ０．５μｍ、活性層３３の幅は約
１．５μｍ、領域Ｉ−１とＩ−２の長さがそれぞれ約１
００μｍ、領域ＩＩの長さが約５０μｍ、分離溝４５が
約５０μｍである。

【００５４】第４の実施例との違いは、第４の実施例の
領域ＩＩを半導体光増幅素子の中央部に配置した部分で
ある。この様にしたことにより、第４の実施例の領域Ｉ
が２つに分離されたので、それぞれを領域Ｉ−１と領域
Ｉ−２とした。更に、各領域Ｉ−１，Ｉ−２へ注入する
電流は、Ｉ_a1１４１とＩ_a2１４２の２つに分けて示し
た。

【００５５】図１５の構成によって、双方向光増幅動作
への対応が容易となる。注入電流Ｉ_a1１４１、Ｉ_a2１４
２、Ｉ_D４３は、領域Ｉ−１、領域Ｉ−２が図３の一般
増幅領域の利得分散特性になる様に、領域ＩＩが、図３
の波長検出領域の利得分散特性になる様に電流を注入し
ておく。この状態で、図１５の左側から光信号を入力す
ると、これは領域Ｉ−１で増幅され、領域ＩＩで両端電
圧Ｖ_D４４に変化を与え、更に進行して領域Ｉ−２で増
幅作用を受けて出力される。また、逆に右側から入力さ
れた光は、領域Ｉ−２で増幅され、領域ＩＩで増幅され
つつ両端電圧Ｖ_D４４に変化を与え、領域Ｉ−１で再び
増幅されて出力される。この様に構成することによっ
て、双方向で進行する光が増幅されたあとに、領域ＩＩ
で光の強度を電圧変化として検知することができる。こ
の電圧変化をもとに、図１４に示した様な制御回路４８
で領域Ｉ−１、領域Ｉ−２へ流す電流Ｉ_a1、Ｉ_a2を調整
することでＡＰＣ動作が達成できる。

【００５６】

【実施例６】図１６に本発明の第６の実施例を示した。
図１６は図１１の実施例の図１２に相当する図面であ
る。図１２と同一部材には同一番号をつけてある。この
実施例では、入出力部分に光強度による電圧変化を検知
する部分（領域ＩＩ−１とＩＩ−２）を設けてある。第
４の実施例では１つであった領域ＩＩが２つに分割され
ているので、第４の実施例では電流Ｉ_D４３で示されて
いた電流と検出電圧Ｖ_D４４は、領域ＩＩ−１とＩＩ−
２に対応して、注入電流Ｉ_D1１４３、Ｉ_D2１４４と検出
電圧Ｖ_D1１４５、Ｖ_D2１４６として図中に示した。

【００５７】本実施例の典型的な寸法を記述しておく。
第１クラッド層３２は厚さ１．５μｍ、活性層３３は厚
さ０．１μｍ、第２クラッド層３４は厚さ１．５μｍ、
キャップ層３５は厚さ０．５μｍ、活性層３３の幅は約
１．５μｍ、領域Ｉの長さが約２００μｍ、領域ＩＩ−
１，ＩＩ−２の長さが約５０μｍ、分離溝４５が約５０
μｍである。

【００５８】図１７には、双方向光増幅時の構成例を示
した。この図は、第４の実施例の図１４に対応する図面
である。図１７において、５４は、図１６に示される半
導体光増幅素子、１６１は図１７において左側より光増
幅素子５４に入力される入力光、１６２は右側より入力
される入力光、１７１は入力光１６１が増幅されて出力
される出力光、１７２は入力光１６２に対応する出力
光、６５，６６，６７はそれぞれ領域ＩＩ−１、領域
Ｉ、領域ＩＩ−２へ注入電流Ｉ_D1１４３、Ｉ_a４２、Ｉ
_D2１４４を流すための電源、５８は検出電圧Ｖ_D1１４
５、Ｖ_D2１４６を入力として、領域Ｉへ流す電流Ｉ_a４
２を調整するように電源６６へ制御信号を送る制御回路
である。

【００５９】次に動作について説明する。最初に、片方
向動作について述べる。信号の変調形態は第４の実施例
と同様とした。例として、入力光１６１が増幅されて出
力光１７１が出力される場合について説明する。

【００６０】入力光１６１は半導体光増幅素子５４へ入
力されると、領域ＩＩ−１で増幅を受け、続いて領域Ｉ
で増幅され、さらに領域ＩＩ−２で増幅されつつ、検出
電圧Ｖ_D2１４６に変化を与えて、出力光１７１となる。
このとき、検出電圧Ｖ_D2１４６の変化を制御回路５８で
監視し、所望の電圧変化量になるように制御信号を電源
６６へ与えて注入電流Ｉ_a４２を調整する。逆方向に増
幅する時は、領域ＩＩ−１に発生する電圧変化をもと
に、注入電流Ｉ_a４２を制御回路５８で制御する。

【００６１】次に、双方向増幅時について説明する。双
方向増幅時には前述の片方向動作が同時に起こる。した
がって、領域ＩＩ−１と領域ＩＩ−２で検出電圧Ｖ_D1１
４５、Ｖ_D2１４６に電圧変化が生じる。仮に、半導体光
増幅素子５４に入力光１６１と入力光１６２が同じ効率
で入力したとすると検出電圧Ｖ_D1１４５とＶ_D2１４６は
同じだけ変化することになる。

【００６２】一般的な使用状況では、入力光１６１と入
力光１６２が同一の強度であることは稀であると考えら
れるうえに、それぞれの入力光が半導体光増幅素子５４
へ入力される時の結合効率を同じにすることも困難であ
る。したがって、双方向増幅時には、検出電圧Ｖ_D1１４
５とＶ_D2１４６が異なった大きさの電圧変化をすること
になる。この時の双方向に対するＡＰＣ動作は、従来の
光アンプと同様に難しいことなので、特に本発明だけの
欠点ではない。

【００６３】本実施例の場合、入力部と出力部に電圧を
検出する領域があるのでＡＰＣ動作に加えて、ＡＧＣ
（増幅率を一定にしておく様に制御する）動作も可能と
なる。例えば、図１６の左側から光が入力して、右へと
出力される場合、入力光による電圧変化Ｖ_D1１４５と増
幅された光による電圧変化Ｖ_D2１４６を得ることが可能
となり、Ｖ_D1／Ｖ_D2の値を一定になるように注入電流Ｉ
_a４２を制御することでＡＧＣ動作が実行できる。

【００６４】このようなＡＧＣ動作は、片方向の時に有
効なことはもちろんのこと、双方向動作時にも、それぞ
れの方向によって変調周波数（前にも述べたように、デ
ィジタル信号に重ねられている正弦波信号の周波数）を
異ならせておき、一方の変調信号のみを検出することに
より、同じ方法によってＡＧＣ動作を行うことができ
る。

【００６５】前にも述べた様に、図１６，１７の構成だ
けでは、双方向の動作に対するＡＰＣ動作は難しいが図
１８のように構成調整することにより、ＡＰＣ動作が可
能となる。

【００６６】図１８で、図１７と同一部材は同一番号を
つけてあるので説明は省く。同図において、１０１は制
御回路、１０２は先球光ファイバ、１０３は先球光ファ
イバ１０２を上下左右前後に微調する機械で例えばピエ
ゾ素子で動作するＸＹＺ調整機構である。調整にあたっ
ては、入力光１（１０４）と入力光２（１０５）が同じ
光量である様にして行なうと容易に行なえる。

【００６７】このような状態で、双方向から光を入力し
て、この光による電圧変化Ｖ_D1１４５とＶ_D2１４６を制
御回路１０１は検出する。検出した結果Ｖ_D1≠Ｖ_D2の場
合、両端面での入力結合効率が異なることを示している
ので、どちらか一方の先球光ファイバ１０２を調整する
ためのＸＹＺ微調機構１０３への制御信号を送出して、
Ｖ_D1＝Ｖ_D2となるように調整する。また、入力光１（１
０４）と入力光２（１０５）の強度が異なる場合は、増
幅率を考慮して、ＸＹＺ調整機構１０３を制御する。

【００６８】この様に、本実施例（図１６）から得られ
る情報を用いることにより、より高度な制御が可能とな
り、安定した光増幅動作を実現することができる。

【００６９】

【実施例７】図１９〜２１は、本発明の第７の実施例を
示す図面である。図２０は、図１９のＢ−Ｂ´で切断し
た時の断面構成を示した図、図２１は図１９のＡ−Ａ´
での切断面の構成を示している。図１９〜２１におい
て、７１は例えばｎ型ＧａＡｓからなる半導体基板、７
２は例えばｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓからなる第１クラッ
ド層、７３は例えばノンドープのＧａＡｓからなる第１
活性層、７４は例えばノンドープのＡｌ_0.02Ｇａ_0.98Ａ
ｓからなる第２活性層、７５は例えばｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ
_0.5Ａｓからなる第２クラッド層、７６は例えばｐ型Ｇ
ａＡｓからなるキャップ層、７７は例えば金とゲルマニ
ウムの合金からなる第１電極、７８は例えば金とクロム
の合金からなる第２電極、７９は例えば金とクロムから
なる第３電極、８０は端面に形成されている例えばＺｒ
Ｏ₂から形成される反射防止膜、８１は例えばＳｉ₃Ｎ₄
からなる絶縁膜、８２は第１電極７７と第２電極７８に
挟まれた第１活性層７３へ注入している注入電流Ｉ_a、
８３は第１電極７７と第３電極７９とに挟まれた第２活
性層７４へ注入している注入電流Ｉ_D、８４は第１電極
７７と第３電極７９の間に生じている検出電圧Ｖ_D、８
５は第１電極７７と第２電極７８に挟まれた領域（以
下、領域Ｉとよぶ）と第１電極７７と第３電極７９に挟
まれた領域（以下、領域ＩＩとよぶ）の間での電気的干
渉を低減させるために、キャップ層７６から第２クラッ
ド層７５の途中に到る分離溝である。

【００７０】上記説明では、各部を構成する部材の例を
示してあるが、その寸法を示していないので、次に寸法
の例を示しておく。

【００７１】第１クラッド層７２は厚さ１．５μｍ、第
１活性層７３は厚さ０．１μｍ、第２活性層７４は厚さ
０．１μｍ、第２クラッド層７５は厚さ１．５μｍ、キ
ャップ層７６は厚さ０．５μｍ、領域Ｉの長さが約２０
０μｍ、領域ＩＩの長さが約５０μｍ、分離溝８５の長
さが約５０μｍである。また、図１９、２０からわかる
ように、本実施例ではリッジ導波路構造を用いている。
このリッジ構造の部分の寸法は、例えば、リッジ幅２μ
ｍ、リッジの高さが約１．８μｍとして、導波路の横モ
ードが単一モードになるように構成した。

【００７２】次に、本実施例の動作について説明する。
光の挙動を説明する前に、注入電流の設定について述べ
る。領域ＩとＩＩでは活性層を構成する結晶のバンドギ
ャップエネルギーが異なるので、適当な注入電流量で図
２２に示すような利得の波長分散特性を示す様にするこ
とができる。つまり、領域Ｉの利得ピーク波長が領域Ｉ
Ｉの利得ピーク波長より長波長側の波長域にすることが
できる。これは、電圧検出領域である領域ＩＩのバンド
ギャップエネルギーを領域Ｉのそれより大きくしておく
ことで達成される。

【００７３】光が本実施例の半導体光増幅素子へ入力さ
れた場合の基本的な動作は、第４の実施例と同じであ
る。つまり、領域Ｉ側の端面から入力された光信号が、
第１活性層７３で増幅されながら進行し、領域ＩＩへ入
る。領域ＩＩでは増幅されながら、検出電圧Ｖ_D８４に
変化を生じさせ、領域ＩＩ側の端面から出力される。従
って、第４の実施例の図１４に示すように、制御回路に
この検出電圧Ｖ_D８４の変化にしたがって、注入電流Ｉ_a
８２の量を調整する機能をもたせておけば、ＡＰＣ動作
を達成することができる。この時、第４の実施例と同様
に、光信号（例えばディジタル信号）を、伝送している
信号のビットレートより十分ゆるやかな正弦波信号で変
調しておくことにより簡単にしかも安定して、検出電圧
Ｖ_D８４の電圧変化を検出することができる。

【００７４】次に、本実施例のように領域ＩとＩＩの活
性層のバンドギャップエネルギーを異ならしておくこと
の効果について述べる。活性領域中を光が進行して、増
幅作用を受けるとき、キャリアが再結合して電圧変化が
生じる。この時、バンド端に近い光の方が、消費したキ
ャリアを高エネルギー側のキャリアで素早く補なえる。
したがって、バンド端に近いエネルギーを持つ光に対す
るものの方が飽和出力が大きくなる。このことは、バン
ド端に近いエネルギーを持つ光（長波長側の光）の方
が、光に対してより強い電圧変化を与えることができる
ことを意味する。別の言い方をすれば、同じ注入キャリ
ア密度により同じ構成からなる活性層に生じる電圧変化
の最大値には、波長依存性があり、長波長側の光がより
大きい電圧変化を与える。

【００７５】したがって、本実施例は、第４の実施例と
比べると、より高増幅動作時に、線形性のよい電圧変化
を与えることができＡＰＣ動作をできる特徴がある。

【００７６】なお、本実施例は、リッジ導波路を用いた
構成で説明したが、導波構造は、この型に限定されるも
のではなく、前記実施例と同様に、埋め込み導波路、ス
トライプ構造、ＳＣＨ構造、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造など
従来の半導体レーザに用いられているどのような構成で
も実施することができる。また、活性領域も、この実施
例で用いたバルク結晶によるものだけでなく、ＭＱＷ、
ＳＱＷ、量子箱、量子細線を用いることができる。

【００７７】また、第５、第６の実施例が第４の実施例
の変形であるから、本実施例も、第５、第６の実施例の
構成で用いることで、第５、第６の実施例の特徴に加え
て、本実施例の特徴を持つ半導体光増幅素子にすること
ができる。

【００７８】以上の第４から第７の実施例でも、ＧａＡ
ｓ系材料を用いて構成したものを用いて説明したが、材
料はＧａＡｓに限られるものではなく、ＩｎＰ系の材料
など半導体レーザを構成できるものであれば、どのよう
な材料でも実施することが可能である。また、実施例中
では複数の電極を分離する方法として、スリット形態の
ものを用いているが、この方法だけに限られたものでは
なく、イオン注入などの方法により高抵抗領域を形成す
ることによっても実施可能である。

【００７９】

【実施例８】図２３に、実施例に示した半導体光増幅素
子を光伝送システムに適用した場合を示す。図２３にお
いて、５０１は光送信機、５０２は本発明の半導体光増
幅素子が内蔵されている半導体光増幅装置、５０３は光
受信機、５０４は光ファイバである。

【００８０】光送信機５０１は図３０に示されるように
構成される。図３０において、５２２は送信用の半導体
レーザ、５２３は本発明の半導体光増幅素子、５２４は
制御回路である。半導体レーザ５２２と半導体光増幅素
子５２３には注入電流を流す電源が必要であるが、ここ
では制御回路５２４中に含めた。

【００８１】ここで、制御回路５２４は、端末装置から
の信号を半導体レーザ５２２へ送り、ここで光信号を発
生し、そして半導体光増幅素子５２３をＡＰＣ動作させ
るための制御を行う。半導体レーザ５２２から入力され
た光信号は、半導体光増幅素子５２３により増幅され、
光ファイバ５０４へ入力される。この場合、半導体光増
幅素子５２３は、いわゆるブースターアンプとして用い
られている。このアンプは光伝送システム全体との整合
をとって用いればよく、図３０に示したように、１つ用
いてもよいし、２つ以上を用いてもよく、また、使用し
なくても光送信機５０１として機能することは言うまで
もない。

【００８２】光受信機５０３は図３１に示されるような
構成である。図３１において、５２３は本発明の半導体
光増幅素子、５２５は制御回路、５２６は光検出器であ
る。光ファイバ５０４から入力された光信号は、半導体
光増幅素子５２３でＡＰＣ増幅され、光検出器５２６で
電気信号に変換される。制御回路５２５は、半導体光増
幅素子５２３のＡＰＣ動作の制御を行うとともに、光検
出器５２６から得られた電気信号を整形し、所望の端末
装置へと送信する。図３１に示される光受信機５０３に
は、１つの半導体増幅素子５２３がいわゆる前置増幅器
として用いられている。この前置増幅器は、２つ以上の
複数個用いられていても、また、１つも用いられていな
くても、光受信機５０３として機能する。

【００８３】半導体光増幅装置５０２は、本発明の半導
体光増幅素子を用いて、例えば図２９のように構成する
ことができる。図２９において、５１８は先球ファイ
バ、５２０は制御回路、５２１は本発明の半導体光増幅
素子である。制御回路５２０は、前記実施例の制御回路
と電源を含めた形で示してあり、ＡＰＣ増幅の制御を行
う。

【００８４】光ファイバ５０４からの光信号は、先球フ
ァイバ５１８を通って、半導体光増幅素子５２１の導波
路へ結合される。導波路へ入力された光信号は、ＡＰＣ
増幅され、出力光が再び先球ファイバ５１８へ出力さ
れ、伝送路の光ファイバ５０４へつながる。ここで、先
球ファイバ５１８を用いたのは、高効率に、光ファイバ
５０４からの光を半導体光増幅素子５２１の導波路へ、
また、導波路からの出力光を光ファイバ５０４へと結合
するためである。もちろん、この様に結合を高める方法
は他にもあり、レンズを用いてもよい。また、結合効率
は低下するが、ファイバ端が先球化されていなくても、
半導体光増幅装置５０２としては十分機能する。

【００８５】次に、図２３で示される光伝送システムの
動作について説明する。光送信機５０１に１つの端末装
置が接続されている場合、つまり、１対１あるいは１対
Ｎ（Ｎは任意の整数）間での端末装置の片方向通信の場
合、通信方式としては、どの様なものでもよく、垂れ流
し的に信号を送ればよい（無手順、非周期）。また、Ｎ
対Ｎの片方向通信の場合、例えば時分割方式（ＴＤＭ
Ａ）のように、１つの伝送路を時間で区切って複数の伝
送路を提供できる通信方式を用いればよい。この時、光
受信機５０３の中の制御回路５２５は、受信した信号か
ら宛て先情報を判断して、所望の端末装置へ信号を送り
出す機能が必要である。また、光送信機５０１中の制御
回路５２４には、複数の端末装置から受けとった信号に
相手先を示す宛て先用の信号をつけて、通信方式にした
がって半導体レーザ５２２を駆動する。

【００８６】

【実施例９】図２４に、実施例に示した半導体光増幅素
子を、双方向光伝送システムに用いた場合を示した。図
２４において、５０５は光送受信機、５０２は図２３と
同じ構成の半導体光増幅装置、５０４は光ファイバであ
る。

【００８７】光送受信機５０５は、例えば第８の実施例
の光送信機５０１および光受信機５０３が１つになった
構成をもっている。つまり、光送信機５０１の出力と、
光受信機５０３の入力が光分岐合流素子で１つにされて
いる。この光送受信機５０５中の光送信機の部分と光受
信機の部分は第８の実施例で説明したので、ここでは説
明を省く。また、半導体光増幅装置５０２も第８の実施
例と同一のものなので、ここでは説明を省く。通信方式
も、第８の実施例のものがそれぞれの方向に適用でき
る。

【００８８】

【実施例１０】図２５に、実施例に示した半導体光増幅
素子を片方向Ｎ対Ｎ波長多重伝送システムに用いた場合
を示す。図２５において、５０６は光送信機（＃１〜＃
Ｎ）、５０８は光合流素子、５０９は光分岐素子、５０
７は光受信機（＃１〜＃Ｎ）である。また、他の実施例
と同一部材は、同一番号をつけてある（光ファイバ５０
４、半導体光増幅装置５０２）。光送信機＃１〜＃Ｎ，
５０６−（１）〜（Ｎ）は、図３０に示される構成を持
っていて、各々で半導体レーザ５２２の発振波長が異な
っている（図３０そのものの説明は第８の実施例でした
のでここでは省略する）。

【００８９】光受信機＃１〜＃Ｎ，５０７−（１）〜
（Ｎ）は、例えば図３２に示される構成となっている。
図３２において、５２６は光検出器、５２７は制御回
路、５２８は光バンドパスフィルタ、５２３は本発明の
半導体光増幅素子（ここでは前置増幅器として用いてい
る）である。

【００９０】光バンドパスフィルタ５２８は、それが含
まれている光受信機＃Ｋに対応する光送信機＃Ｋの波長
だけを通すように調整されている。この様にすることに
より、光送信機＃ｉ，５０６−（ｉ）から、光受信機＃
ｉ，５０７−（ｉ）への伝送路（１つの伝送路光ファイ
バ５０４と半導体光増幅装置５０２で形成されている）
中を複数の波長の光が通り、等価的に複数の伝送路が形
成されることになる。光送信機＃ｉ，５０６−（ｉ）か
ら光受信機＃ｉ，５０６−（ｉ）へと構成される１つの
波長の伝送路の伝送方式は、第８の実施例と同じなので
ここでは省略する。

【００９１】また、図２５において、光分岐素子５０９
を光分波素子にすることによって、光受信機５０７中の
光バンドパスフィルタ５２８は不要となる。

【００９２】

【実施例１１】図２６に、実施例に示した半導体光増幅
素子をループ型光ＬＡＮに用いた場合を示している。

【００９３】図２６において、５１１は再生中継機、５
１２は制御局、５１３は端末装置、５０４は光ファイ
バ、５０２は半導体光増幅装置（第８の実施例で説明）
である。ループ型ＬＡＮの動作としては、従来用いられ
ている方式、例えばトークンリング方式を用いることが
できる。

【００９４】この例では、再生中継機５１１間に、ブー
スターアンプとして本発明の半導体光増幅素子を用いた
半導体光増幅装置５０２を用いることにより、再生中継
機５１１−（ｉ）から送られる光信号を、常に一定のパ
ワーで受信することが可能となる。

【００９５】また、再生中継機５１１は、一般に光検出
器（Ｏ／Ｅ変換器）、半導体レーザ（Ｅ／Ｏ変換器）、
電気の再生中継機から構成されるが、この再生中継機に
も、本発明の半導体光増幅素子を、光検出器前に設置す
る前置増幅器として、また、半導体レーザのブースター
アンプとして用いることも可能である。中継機５１１内
で本発明の半導体光増幅素子をＡＰＣ動作で用いること
により、光検出器への入力パワーや中継機からの出力パ
ワーを、使用しないときより安定にすることが可能とな
る。また、再生中継機５１１間の半導体光増幅装置５０
２は、１つの場合を示したが必要に応じて２つ以上の複
数個にすることができる。

【００９６】

【実施例１２】図２７に、実施例に示した半導体光増幅
素子をバス型光ＬＡＮに用いた場合を示した。

【００９７】図２７において、５１４は光分岐合流素
子、５１５は光トランシーバー、５１６は端末装置、５
０２は半導体光増幅装置（第８の実施例で説明済み）、
５０４は光ファイバである。光トランシーバー５１５
は、例えば図３３のような構成になっている。図３３に
おいて、５２９は制御回路、５３０は半導体レーザ、５
３２は光検出器、５３３は光分岐合流素子、５２３は本
発明の半導体光増幅素子である。

【００９８】バス型光ＬＡＮの部分は、例えば、ＣＳＭ
Ａ／ＣＤ方式の通信方式を用いる。もちろん、他のトー
クンバス、ＴＤＭＡなどの通信方式でもかまわない。

【００９９】端末装置５１６からの通信要求は光トラン
シーバー５１５へ送られ、光トランシーバー５１５中の
制御回路５２９は、光ＬＡＮの通信方式にしたがって、
半導体レーザ５３０を駆動し、光パルス（光ディジタル
信号）を送信する。送信された光信号は、半導体光増幅
素子５２３でＡＰＣ増幅され、光分岐合流素子５３３を
介して、光分岐合流素子５１４へ送られ、バスライン上
へ信号を送り出す。バスライン上には適当なところに半
導体光増幅装置５０２があり、光信号をＡＰＣ増幅す
る。一方、受信の過程は、バスライン上を伝送される光
信号が、光分岐合流素子５１４で分岐され、光トランシ
ーバー５１５へ入力される。光トランシーバー５１５へ
入力された光信号は、光分岐合流素子５３３で分岐さ
れ、半導体光増幅素子５２３を通してＡＰＣ増幅され、
光検出器５３２で受信され電気信号に変換される。この
電気信号は制御回路５２９で整形再生などを受け、端末
装置５１６へ送られる。

【０１００】本実施例では、光トランシーバー５１５中
で、本発明の半導体光増幅素子５２３を、ブースターア
ンプおよび前置増幅器として用いているが、これらは、
複数個から構成されていてもよく、また、なくてもよ
い。更に、バスライン上の半導体光増幅装置５０２は、
光分岐合流素子５１４の間に必ず少なくとも１つ設置さ
れていてもよいし、また、飛び飛びに設置されていても
よい。

【０１０１】

【実施例１３】図２８に第１２の実施例のバスライン上
の光分岐合流素子５１４のかわりに、増幅機能を有する
光増幅素子内蔵光分岐素子５１７を設置した場合を示し
た。

【０１０２】光増幅素子内蔵光分岐素子５１７は、例え
ば図３４に示す構成で実現できる。図３４に示すよう
に、光分岐合流素子５３４の入力出力部分（３ケ所）
に、本発明の半導体光増幅素子５２３を設けてある。伝
送方法は、第１２の実施例と同じであるので、ここでは
省略する。

【０１０３】また、本実施例では、バスライン上の光増
幅素子内蔵光分岐素子５１７の間に、半導体光増幅装置
５０２を必要に応じて設置してもよい。

【０１０４】以上、実施例８〜１３で実施例４〜７に示
した半導体光増幅素子を光通信システムに適用した例を
示したが、適用できる光通信システムは、この実施例だ
けに限られるものではなく、光を情報の伝達媒体として
いる光通信システムで前記実施例に示したような使用法
で使用することが可能である。

【０１０５】

【発明の効果】以上説明したように、半導体光増幅素子
において、増幅時に生ずる電圧変化が大きい部分を他の
部分と分離することにより、従来より、大きな電圧変化
として電圧変化を検知できる効果がある。従って、より
容易にＡＰＣ動作の制御ができるようになった。

【０１０６】また、狭い波長範囲で利得を持つ活性領域
と、広い波長範囲で利得を持つ活性領域から活性層を構
成し、前者の活性領域の光増幅時の電圧変化を検知する
ことにより、増幅している光の波長の中に、特定の波長
の光が存在するかどうかを知ることができる。従って、
光信号に損失を与えなく、光学部品の数を増やさなくて
よく、従来と同様の光学系で、増幅光の波長域を知るこ
とができる効果がある。

【０１０７】その他、増幅光の様子を電圧変化で検知し
て、これを種々の制御に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の特徴をあらわす斜視
図。

【図２】図１のＡ−Ａ´断面図。

【図３】図１の半導体光増幅素子の動作を説明する図。

【図４】図１に示す半導体光増幅素子の変形例を示す断
面図。

【図５】図１に示す半導体光増幅素子の他の変形例の動
作を説明する図。

【図６】本発明の第２の実施例を示す断面図。

【図７】図６の半導体光増幅素子の動作を説明するため
の図。

【図８】第２の実施例の検出電圧の波長依存性をまとめ
た表。

【図９】本発明の第３の実施例を示す図。

【図１０】第３の実施例の使用例の状態を説明するため
の図。

【図１１】本発明の第４の実施例の特徴をあらわす斜視
図。

【図１２】図１１のＡ−Ａ´断面図。

【図１３】図１１の半導体光増幅素子の動作を説明する
図。

【図１４】図１１に示す半導体光増幅素子の使用例の状
態を説明するための図。

【図１５】本発明の第５の実施例を示す断面図。

【図１６】本発明の第６の実施例を示す断面図。

【図１７】図１６の半導体光増幅素子の使用例の状態を
説明するための図。

【図１８】図１６の半導体光増幅素子の他の使用例の状
態を説明するための図。

【図１９】本発明の第７の実施例の特徴をあらわす斜視
図。

【図２０】図１９のＢ−Ｂ´断面図。

【図２１】図１９のＡ−Ａ´断面図。

【図２２】図１９の半導体光増幅素子の動作を説明する
図。

【図２３】光半導体素子を光伝送システムに適用した第
８の実施例を説明するための図。

【図２４】光半導体素子を双方向光伝送システムに適用
した第９の実施例を説明するための図。

【図２５】光半導体素子を双方向Ｎ対Ｎ波長多重伝送シ
ステムに適用した第１０の実施例を説明するための図。

【図２６】光半導体素子をループ型光ＬＡＮに適用した
第１１の実施例を説明するための図。

【図２７】光半導体素子をバス型光ＬＡＮに適用した第
１２の実施例を説明するための図。

【図２８】光半導体素子を他のバス型光ＬＡＮに適用し
た第１３の実施例を説明するための図。

【図２９】光伝送システムで用いられる半導体光増幅装
置の構成を示す図。

【図３０】光伝送システムで用いられる光送信機の構成
を示す図。

【図３１】双方向光伝送システムで用いられる光受信機
の構成を示す図。

【図３２】双方向Ｎ対Ｎ波長多重伝送システムで用いら
れる光受信機の構成を示す図。

【図３３】バス型光ＬＡＮで用いられる光トランシーバ
ーの構成を示す図。

【図３４】バス型光ＬＡＮで用いられる半導体増幅素子
内蔵光分岐合流素子の構成を示す図。

【図３５】半導体光増幅素子のＡＰＣ増幅動作の従来例
を説明する図。１，３１，７１基板２，４，３２，３４，７２，７５クラ
ッド層３ａ，３ｂ，３ｃ，３３，７３，７４
活性層５，３５キャップ層６，７，３６，３７埋め込み層８，９，１０，１０ｂ，１０ｃ，３８，３９，４０，７
７，７８，７９電極１１，４１，８０反射防止膜１２，１３，４２，４３，８２，８３，１２１，１２
２，１３１，１３２，１４１，１４２，１４３，１４４
注入電流１４，４４，８４，１４５，１４６，１５１，１５２，
検出電圧１５，４５，８５分離溝２０，４９，５４，５２１，５２３半
導体光増幅素子２１，４６，１０４，１０５，１６１，１６２
入力光２２，４７１７１，１７２出力光２３，４８，５８，１０１，５２０，５２４，５２５，
５２７，５２９制御回路２４，２５，２６，５０，５１，６５，６６，６７
電源５２，５３，５４制御信号８１絶縁膜１０２，５１８先球光ファイバ１０３ＸＹＺ調整機構５０１，５０６光送信機５０２半導体光増幅装置５０３，５０７光受信機５０４光ファイバ５０５光送受信機５０８光合流素子５０９光分岐素子５１１再生中継機５１２制御局５１３，５１６端末装置５１４，５３３，５３４光分岐合流素
子５１５光トランシーバー５１７光増幅素子内蔵光分岐素子５２２，５３０半導体レーザ５２６，５３２光検出器５２８光バンドパスフィルター

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体レーザ構造を用いた半導体光増幅
素子において、増幅領域が光の進行する方向に少なくと
も２つ以上の領域に電気的に分離されて光学的には結合
して分離されていて、少なくとも１つの分離された増幅
領域が、任意の波長範囲に利得を有する第１の活性層で
構成されていて、他の増幅領域が、上記第１の活性層の
利得を有する波長範囲を、任意の注入電流で利得波長範
囲に含むことができる第２の活性層から構成されている
ことを特徴とする半導体光増幅素子。
【請求項２】前記第１の活性層が、任意の波長範囲に
利得を有する量子井戸を基調とする活性層で構成されて
いることを特徴とする請求項１記載の半導体光増幅素
子。
【請求項３】前記第２の活性層が、前記第１の活性層
の利得を有する波長範囲を、任意の注入電流で利得波長
範囲に含むことができるバルク結晶から構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の半導体光増幅素子。
【請求項４】増幅領域が２つに分離されていて、光を
入力する側に第２の活性層の増幅領域、出力側に第１の
活性層の増幅領域があることを特徴とする請求項１記載
の半導体光増幅素子。
【請求項５】増幅領域が３つに分離されていて、１つ
が第１の活性層の増幅領域で、その他が第２の活性層の
増幅領域であることを特徴とする請求項１記載の半導体
光増幅素子。
【請求項６】増幅領域が３つに分離されていて、２つ
が第１の活性層の増幅領域であり且つこの２つの第１の
活性層が異なるエネルギー準位を持っていて、残りの増
幅領域が第２の活性層からなることを特徴とする請求項
１記載の半導体光増幅素子。
【請求項７】増幅領域が４つに分離されていて、２つ
の増幅領域がエネルギー準位の異なる第１活性層から構
成されていて、他の増幅領域が第２の活性層を有してい
ることを特徴とする請求項１記載の半導体光増幅素子。
【請求項８】請求項５記載の半導体光増幅素子と、該
半導体光増幅素子の第１の活性層の増幅領域の入力光波
長で変化する電圧変化に応じて、出力側の活性層の増幅
領域へ流す電流を調整する機能を有する制御回路からな
ることを特徴とする光スイッチ。
【請求項９】請求項７記載の半導体光増幅素子と、該
半導体光増幅素子の第１の活性層を用いた２つの増幅領
域の入力光波長に応じた電圧変化に応じて、出力側の増
幅領域へ流す電流を調整する機能を有する制御回路から
なることを特徴とする光スイッチ。
【請求項１０】半導体レーザ構造を用いた半導体光増幅
素子において、増幅領域が光の進行する方向に少なくと
も２つ以上の領域に電気的に分離されていて、該分離さ
れた増幅領域の少なくとも１つ以上で、多くとも分離さ
れた領域の数より１つ少ない増幅領域の光増幅時の電圧
変化を検知し、検知した結果に基づいて、電圧変化を検
知した領域以外の残りの領域への注入電流量を制御する
手段を有することを特徴とする半導体光増幅素子。
【請求項１１】半導体レーザ構造を用いた半導体光増幅
素子において、増幅領域が光の進行する方向に少なくと
も２つ以上の領域に電気的に分離されていて、該分離さ
れた増幅領域の少なくとも１つ以上で、多くとも分離さ
れた領域の数より１つ少ない増幅領域の光増幅時の電圧
変化を検知し、検知した結果に基づいて、電圧変化を検
知した領域以外の残りの領域の利得を制御する手段を有
することを特徴とする半導体光増幅素子。
【請求項１２】電圧検知する増幅領域の利得係数がその
他の増幅領域の利得係数よりも小さいことを特徴とする
請求項１０または１１記載の半導体光増幅素子。
【請求項１３】電圧検知する増幅領域へ注入する電流密
度を、他の増幅領域へ注入する電流密度より少なくする
ことにより、利得係数が小さくされていることを特徴と
する請求項１２記載の半導体光増幅素子。
【請求項１４】電圧検知する増幅領域に、光が、該電圧
検知する増幅領域以外の少なくとも１つの増幅領域中を
進行しそして増幅されてから、入力されるように構成さ
れたことを特徴とする請求項１０または１１記載の半導
体光増幅素子。
【請求項１５】増幅領域が２つに分離されていて、光を
入力する側に増幅領域、出力側に電圧検出領域があるこ
とを特徴とする請求項１４記載の半導体光増幅素子。
【請求項１６】増幅領域が３つに分離されていて、両端
の２つが電圧検出領域であることを特徴とする請求項１
０または１１記載の半導体光増幅素子。
【請求項１７】電圧検出領域とそれ以外の増幅領域の活
性領域とのバンドギャップエネルギーが異なり、電圧検
出領域のバンドギャップエネルギーを大きくすることに
よりその利得係数を小さくすることを特徴とする請求項
１２記載の半導体光増幅素子。