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JP4022792B2 - Semiconductor optical amplifier - Google Patents

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JP4022792B2
JP4022792B2 JP29037198A JP29037198A JP4022792B2 JP 4022792 B2 JP4022792 B2 JP 4022792B2 JP 29037198 A JP29037198 A JP 29037198A JP 29037198 A JP29037198 A JP 29037198A JP 4022792 B2 JP4022792 B2 JP 4022792B2
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体光増幅装置に関するものであり、特に、波長多重(WDM)通信方式に用いる許容入射パワーの調整機構に特徴のある広い波長帯域を有する利得クランプ型の半導体光増幅装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、通信需要の飛躍的な増大に対して波長の異なる複数の信号光を多重化して一本の光ファイバで同時に伝送させる波長多重通信システムの導入が検討されており、この波長多重通信システムに用いる光増幅装置には広い波長帯域が要求される。
【0003】
この様な広い波長帯域を有する光増幅装置としては、半導体光増幅装置が知られており、この半導体光増幅装置は小型で低消費電力動作が可能であるため、波長多重通信システム用の光増幅装置として有望視されている。
【0004】
一般に、光増幅装置においては、信号光を増幅する過程でキャリアが消費されるため、信号光のパワーが大きくなると誘導放出によるキャリア減少が顕著になり、その結果、利得が低下する利得飽和という現象が生ずる。
【0005】
上述の半導体光増幅装置においては、キャリア寿命が数百ピコ秒と短いため、変調による信号光のパワーの変動に利得飽和が追従できるので、利得変調が起こり信号光が歪む場合があり、特に、多数の信号光が半導体光増幅装置において同時に増幅される状況では、信号光間相互の利得変調でクロストークが発生することもある。
【0006】
この様な利得変調を抑制するためには、信号光のパワー変化によらずにキャリア密度が一定となる機構を半導体光増幅装置に付加する必要があり、最も有力な方法は、レーザ発振機構を半導体光増幅装置に導入し、キャリア密度が発振しきい値キャリア密度にロックされる現象を利用する方法である。
【0007】
この場合、信号光のパワーがレーザ発振光のパワーより小さく、レーザ発振が持続する限りにおいて、半導体光増幅装置の利得は一定にクランプされることになる。この利得クランプ型半導体光増幅装置では、信号光に対しては共振せずに進行波型光増幅装置とするために、レーザ発振光の波長を信号光の波長から離して設定し、レーザ発振光の波長に対してのみ高反射率となる波長選択性を有する反射鏡を用いることが広く行われている。
【0008】
例えば、波長選択性を有する外部反射鏡として、回折格子を用いること(必要ならば、J.C.Simon et al,Electronics Letters,vol.30,pp.49−50,1994参照)、或いは、ファイバグレーティング(ファイバ回折格子)を用いること(必要ならば、L.Lablonde et al,ECOC’94,proceedings,pp.715−718,1994参照)が提案されている。
【0009】
また、波長選択性を有する内部反射鏡を用いる例として、モノリシック型のDFB(分布帰還型)レーザを用いること(必要ならば、P.Doussiereet al,International Semiconductor Laser Conference,proceedings,pp.185−186,1994参照)、或いは、DBR(分布ブラッグ反射型)レーザを用いること(必要ならば、L.F.Tiemeijer et al,IEEE Photonics Technology Letters,pp.284−286,1995参照)が提案されている。
【0010】
さらに、利得クランプ型半導体光増幅装置を構成する他の方法としては、半導体光増幅媒質以外の領域においてはレーザ発振光と信号光が空間的に分離されるように、2つの2対2型の光合分岐器、即ち、2×2型の光合分岐器からなるマッハツェンダー干渉器の両方のアームに半導体光増幅媒質を設け、入力側光合分岐器の入力ポートの一方と、そのクロス(Cross)位置にある出力側光合分岐器の出力ポートに多層誘電体膜からなる反射鏡を配置してレーザ共振器を構成して利得クランプ型半導体光増幅装置とすることも提案されている(必要ならば、Ch Holtsmann et al,ECOC’96,proceedings,pp.199−202,1996参照)。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
上記の様な利得クランプ型半導体光増幅装置においては、共振器損失は利得と信号光の許容入射パワーを決める重要なパラメータとなるので、この事情を図18を参照して説明する。
図18(a)参照
図18(a)は、半導体光増幅装置における利得−光出力特性の共振器損失依存性を示す図であり、利得が1/2(=10log102≒3.01≒3dB)となる飽和光出力パワーを合わせて示している。
アンプ1 は、非利得クランプ型の通常の半導体光増幅装置の場合を示しており、光出力Pの増大と共に、利得Gは漸減し光出力Ps1が飽和光出力パワーとなるが、利得クランプ型半導体光増幅装置においては、レーザ発振が停止するまで利得が一定値にクランプされる。
【0012】
したがって、共振器損失が大きなレーザ2 の場合には、発振しきい値キャリア密度が大きいため利得は大きな値G2 でクランプされるが、ある注入電流に対するレーザ発振光のパワーが小さくなるので、信号光の許容入射パワーが低くなる。
一方、共振器損失の小さなレーザ3 の場合には、発振しきい値キャリア密度が小さいため利得は小さな値G3 (<G2 )でクランプされるが、ある注入電流に対するレーザ発振光のパワーが大きくなるので、信号光の許容入射パワーが大きくなり、例えば、飽和光出力パワーで見ると、レーザ2 →レーザ3 へと利得がG2 →G3 と小さくなるにつれて、飽和光出力パワーはPS2→PS3と大きくなり、従って、共振器損失を小さくすることによって適正に増幅することのできる信号光の許容入力パワーを高くすることができるので、この事情を図18(b)及び(c)を参照して説明する。
【0013】
図18(b)及び(c)参照
図18(b)及び(c)はレーザ2 及びレーザ3 の光出力−電流特性(L−I特性)を示す図であり、共振器損失が相対的に大きなレーザ2 においてはしきい値電流Ith-2がレーザ3 のしきい値電流Ith-3より大きくなり、それによって、ある同じ電流を流した場合の光出力は共振器損失が相対的に小さなレーザ3 の方が大きくなり、適正に増幅することのできる信号光の許容入力パワーを高くすることができる。
【0014】
この様な許容入力パワーが共振器損失依存性を有する利得クランプ型半導体光増幅装置を用いて各種の用途(アプリケーション)に用いる場合には、用途に応じて利得クランプ型半導体光増幅装置の特性を最適化する必要があるが、特性を最適化するためには、上述の共振器損失を連続的に任意に制御できることが望ましい。
【0015】
しかし、従来のモノリシックタイプの半導体光増幅装置においては、共振器損失が固定されてしまうため、共振器損失を用途に応じて可変にすることができないという問題がある。
【0016】
一方、外部共振器タイプの半導体光増幅装置においては、外部共振器を構成する回折格子やファイバ回折格子を交換すれば共振器損失を変えることはできるものの、これらを連続的に変えて最適化することは困難であり、且つ、モジュール化した場合には、モノリシックタイプと同様に共振器損失が固定されてしまうという問題がある。
【0017】
したがって、本発明は、利得クランプ型半導体光増幅装置の共振器損失を連続的に制御し、利得クランプ型半導体光増幅装置の特性を用途に応じて最適化することを目的とする。
【0018】
また、本発明は、簡単な構成により、信号光とレーザ光との分離特性に優れ、且つ、高い飽和光入出力特性を有する利得クランプ型半導体光増幅装置を提供することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
図1は本発明の原理的構成の説明図であり、この図1を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
なお、図1は本発明の半導体光増幅装置の概念的構成図である。
図1参照
(1)本発明は、半導体光増幅器2と、この半導体光増幅器2を内部に含むレーザ共振器とで構成した利得クランプ型の半導体光増幅装置1において、信号光7に対する実効的な透過損失量が一定値を維持しながら、レーザ発振光に対する共振器損失量が制御可能である可変光減衰機構を有することを特徴とする。
【0020】
この様に、レーザ共振器内に、信号光7に対する実効的な透過損失量が一定値を維持しながら、レーザ発振光に対する共振器損失量が制御可能である可変光減衰機構、即ち可変光減衰器3を設けることによって、共振器損失を連続的に任意に制御することができ、それによって、利得クランプ型の半導体光増幅装置1の特性を用途に応じて最適化することができる。
なお、本願明細書においては、「半導体光増幅器」及び「可変光減衰器」とは、単体の「半導体光増幅器」及び「可変光減衰器」を意味するとともに、所定の半導体領域に電極等を設けて光増幅作用或いは光減衰作用を持たせた半導体光増幅領域或いは可変光減衰領域をも意味するものである。
【0021】
(2)また、本発明は、上記(1)において、レーザ共振器を、少なくとも一方が波長選択性のある反射鏡4によって構成するとともに、レーザ共振器内に可変光減衰機構として、可変光減衰器3を設けたことを特徴とする。
【0022】
この様に、少なくとも一方が波長選択性のある反射鏡4によってレーザ共振器を構成することによってレーザ発振波長に対してだけフィードバック機構を形成し、それによって、信号光7の波長におけるレーザ発振を抑制することができる。
【0023】
(3)また、本発明は、上記(2)において、レーザ共振器内に信号光7が通過しない部分を設け、この信号光7が通過しない部分に可変光減衰器3を配置したことを特徴とする。
【0024】
この様に、レーザ共振器内に信号光7が通過しない部分を設け、この信号光7が通過しない部分に可変光減衰器3を配置することによって、信号光7の可変光減衰器3による減衰を考慮する必要がないので、使用できる可変光減衰器3の自由度を高めることができる。
【0025】
(4)また、本発明は、上記(3)において、レーザ共振器を波長選択性のある反射鏡4と波長選択性のない反射鏡5からなる外部共振器構造とし、波長選択性のある反射鏡4と半導体光増幅装置1との間にビームスプリッタ6を挿入すると共に、ビームスプリッタ6を介してレーザ共振器に垂直な方向から信号光7を入射させ、波長選択性のある反射鏡4とビームスプリッタ6との間を信号光7が通過しない部分としたことを特徴とする。
【0026】
この様な構成を採用することによって、ビームスプリッタ6により強度が半分になった信号光7を半導体光増幅器2に入射するので、信号光7が大きな場合にも利得飽和が起きにくく、信号光7の許容入射パワーの上限を2倍にすることができる。
【0027】
(5)また、本発明は、上記(3)において、レーザ共振器を波長選択性のある反射鏡4と波長選択性のない反射鏡5からなる外部共振器構造とし、波長選択性のある反射鏡4と半導体光増幅装置1との間にビームスプリッタ6を挿入すると共に、ビームスプリッタ6を介してレーザ共振器に垂直な方向から信号光7を出射させ、波長選択性のある反射鏡4とビームスプリッタ6との間を信号光7が通過しない部分としたことを特徴とする。
【0028】
この様な構成を採用することによって、信号光7は入口側ではロスすることなく半導体光増幅器2に入射するので、信号光7が微弱な場合にも適正な増幅信号を得ることができ、許容入射パワーの下限を半分にすることができる。
【0029】
(6)また、本発明は、上記(3)において、レーザ共振器を一対の波長選択性のある反射鏡4からなる外部共振器構造とし、半導体光増幅器2と両方の波長選択性のある反射鏡4との間に各々ビームスプリッタ6を挿入すると共に、ビームスプリッタ6を介してレーザ共振器に垂直な方向から信号光7を入出射させ、一対の波長選択性のある反射鏡4とビームスプリッタ6との間の二箇所の領域を信号光7が通過しない部分としたことを特徴とする。
【0030】
この様な構成を採用することによって、信号光7のロスは大きくなるものの、光ファイバの入出射端面を反射鏡の一部として利用する必要はないので、光ファイバの入出射端面における不所望な反射による信号光7の戻り光を防止することができる。
【0031】
(7)また、本発明は、上記(2)において、レーザ共振器内に信号光7が通過しない部分を設けずに、可変光減衰器3としてレーザ発振波長に対しては光減衰量を変えられるが、信号光7は実効的に減衰しない可変光減衰器3を配置したことを特徴とする。
【0032】
この様に、レーザ共振器内に信号光7が通過しない部分を設けないことによって、ビームスプリッタ6によるロスが無くなるので信号光7を効率的に用いることができ、且つ、部品点数を低減することができるが、信号光7は可変光減衰器3を通過するので、信号光7が実効的に減衰されないように可変光減衰器3の減衰特性を考慮する必要がある。
なお、本願において「信号光7が実効的に減衰されない」ということは、減衰が生じることは意図せず、且つ、不可避的に生ずる減衰があってもそれを減衰されたと見なさないことを意味する。
【0033】
(8)また、本発明は、上記(7)において、波長選択性のある反射鏡4によりレーザ発振波長を信号光7の波長よりも短波長に設定するとともに、可変光減衰器3としてレーザ発振波長より短波長側に吸収端波長がある電界吸収型光変調器を用いたことを特徴とする。
【0034】
この様に、信号光7を実効的に減衰せず、且つ、レーザ発振光のみを選択的に減衰させる可変光減衰器3としては、レーザ発振波長より短波長側に吸収端波長がある電界吸収型光変調器が好適である。
【0035】
(9)また、本発明は、上記(8)において、半導体光増幅器2と電界吸収型光変調器からなる可変光減衰器3とをモノリシックに集積化したことを特徴とする。
【0036】
電界吸収型光変調器は、半導体を用いてpin構造で形成することができるので、モノリシック化に好適であり、モノリシックに集積化することによって半導体光増幅器2と可変光減衰器3との位置合わせが不要になり、また、レンズが不要になるので部品点数を低減することができるとともに、装置全体を小型化することができる。
【0037】
(10)また、本発明は、上記(7)乃至(9)のいずれかにおいて、波長選択性のある反射鏡4として、ファイバグレーティングを用いたことを特徴とする。
【0038】
この様に、レーザ共振器内に信号光7が通過しない部分を設けない場合には、波長選択性のある反射鏡4としてファイバグレーティング、即ち、ファイバ回折格子を用いることによって、波長選択性のあるレーザ共振器構造を簡素化することができる。
【0039】
(11)また、本発明は、上記(9)において、波長選択性のある反射鏡4として分布ブラッグ反射器を用い、この分布ブラッグ反射器を半導体光増幅器2と電界吸収型光変調器からなる可変光減衰器にモノリシックに一体化したことを特徴とする。
【0040】
この様に、波長選択性のある反射鏡4として分布ブラッグ反射器(DBR)を用いた場合には、この分布グラッグ反射器を半導体光増幅器2と電界吸収型光変調器からなる可変光減衰器3にモノリシックに一体化することによって、装置の主要構成部分を半導体製造プロセスのみによって形成することができる。
【0041】
(12)また、本発明は、上記(1)において、上記半導体光増幅器2を2つの2×2型光合分岐器からなるマッハツェンダー干渉器の2つのアームに設けるとともに、レーザ共振器を入力側の光合分岐器の入力ポートの一方と、その入力ポートに対してクロス位置にある出力側の光合分岐器の出力ポートに配置した反射鏡によって構成し、可変光減衰機構としての可変光減衰器をレーザ共振器内の光合分岐器と反射鏡との間に設けたことを特徴とする。
【0042】
この様に、2つの2×2型光合分岐器からなるマッハツェンダー干渉器を用いることによって、ビームスプリッタ等の使用に起因する信号光のロスをなくして増幅することができ、装置構成が簡素化されるとともに、半導体光増幅器以外の領域においてはレーザ発振光と信号光を空間的に分離しているので、レーザ共振器に波長選択性を持たせなくともレーザ共振器において信号光の共振が生ずることがない。
【0043】
(13)また、本発明は、上記(12)において、2×2型光合分岐器として、方向性結合器を用いたことを特徴とする。
【0044】
この様に、2×2型光合分岐器として、方向性結合器を用いることによって、マッハツェンダー干渉器を小型に構成することができる。
【0045】
(14)また、本発明は、上記(12)において、2×2型光合分岐器として、マルチモード干渉器を用いたことを特徴とする。
【0046】
この様に、2×2型光合分岐器としてマルチモード結合器を用いることによって、2×2型光合分岐器として方向性結合器を用いた場合より製作トレランスを向上することができる。
【0047】
(15)また、本発明は、上記(12)乃至(14)において、反射鏡の内の少なくとも一方を波長選択性のある反射鏡で構成したことを特徴とする。
【0048】
この様に、レーザ共振器を構成する反射鏡の内の少なくとも一方を波長選択性のある反射鏡で構成することによって、レーザ発振波長を安定化して信号光の波長とレーザ発振波長との差を安定して維持することができ、それによって、信号光とレーザ光との不所望な相互作用による非線型効果、例えば、4光波混合による位相共役波等が生ずることがなく、増幅された信号光のみを出力ポートから出力することができる。
【0049】
(16)また、本発明は、上記(12)乃至(15)において、可変光減衰器として、電界吸収型光変調器を用いたことを特徴とする。
【0050】
上述のように、マッハツェンダー干渉器を用いた場合には、信号光は可変光減衰器を通過しないので、可変光減衰器として電界吸収型光変調器を用いる必要は必ずしもないが、電界吸収型光変調器を用いても良いものであり、特に、モノリシックに集積化する場合には、pin構造によって形成することのできる電界吸収型光変調器を用いることが好適である。
【0051】
(17)また、本発明は、上記(12)乃至(16)において、半導体光増幅器、2つの2×2型光合分岐器、可変光減衰器3、及び、反射鏡をモノリシックに集積化したことを特徴とする。
【0052】
この様に、半導体光増幅器2、2つの2×2型光合分岐器、可変光減衰器、及び、反射鏡をモノリシックに集積化することによって全体構成が小型化されるとともに、2×2型光合分岐器と可変光減衰器との間のレンズ系が不要になる。
【0053】
(18)また、本発明は、半導体光増幅器2と、この半導体光増幅器2を内部に含むレーザ共振器とで構成した利得クランプ型の半導体光増幅装置1において、半導体光増幅器2をサニャック型光干渉計のアームに設けるとともに、このサニャック型光干渉計の一方の入出力ポートにつながる光導波路に反射鏡を配置してレーザ共振器を構成し、且つ、該光導波路内に可変光減衰器3を配置し、他方の入出力ポートにつながる光導波路を信号光7に対する入出力用光導波路としたことを特徴とする。
【0054】
この様に、サニャック型光干渉計を用いた場合には、半導体光増幅器2は一つだけで良いので、一対の半導体光増幅器2を用いた対称構造の利得クランプ型の半導体光増幅装置1に比べて半導体光増幅器2に要求される対称動作性に関する要件が不要になるので、レーザ発振光と信号光7が混ざる可能性がより低減され、安定した光増幅動作が可能になる。
また、レーザ共振器を構成する光導波路内に可変光減衰器3を配置することにより、共振器損失を連続的に任意に制御することができ、それによって、利得クランプ型の半導体光増幅装置1の特性を用途に応じて最適化することができる。
【0055】
(19)また、本発明は、上記(18)において、反射鏡として、波長選択性のある反射鏡を用いたことを特徴とする。
【0056】
サニャック型光干渉計を用いた場合には、レーザ発振光と信号光7とが空間的に分離されるので、レーザ共振器に波長選択性を持たせなくともレーザ共振器において信号光7の共振が生ずることがないが、レーザ発振波長を安定化して信号光7の波長とレーザ発振波長との差を安定して維持するためには、反射鏡として、波長選択性のある反射鏡を用いることが望ましく、それによって、信号光7とレーザ光との不所望な相互作用による非線型効果、例えば、4光波混合による位相共役波等が生ずることがなく、増幅された信号光7のみを入出力用光導波路につながる他方の入出力ポートから出力することができる。
【0057】
(20)また、本発明は、上記(18)または(19)において、サニャック型光干渉計における、半導体光増幅器2以外の光導波路部及び光カップラー部分を光ファイバによって構成することを特徴とする。
【0058】
この様に、サニャック型光干渉計における半導体光増幅器2以外の光導波路部及び光カップラー部分を光ファイバによって構成することによって、特別の微細加工技術を要することなく、利得クランプ型の半導体光増幅装置1を簡単に構成することができる。
【0059】
(21)また、本発明は、上記(18)または(19)において、サニャック型光干渉計における、半導体光増幅器2以外の光導波路部及び光カップラー部分をプレーナ型誘電体光回路によって構成することを特徴とする。
【0060】
この様に、サニャック型光干渉計における、半導体光増幅器2以外の光導波路部及び光カップラー部分をプレーナ型誘電体光回路(PLC)によって構成することによって、光ファイバを用いた場合より利得クランプ型の半導体光増幅装置1を小型化することができる。
【0061】
(22)また、本発明は、上記(18)または(19)において、サニャック型光干渉計を構成する光導波路、光カップラー部分、アーム、及び、半導体光増幅器2を半導体によりモノリシックに一体化したことを特徴とする。
【0062】
この様に、サニャック型光干渉計を構成する光導波路、光カップラー部分、アーム、及び、半導体光増幅器2を半導体によりモノリシックに一体化することによって、利得クランプ型の半導体光増幅装置1をより小型化することができ、且つ、半導体光増幅器2のハイブリッド実装が不要になるので、半導体光増幅器2とアームとの光軸合わせ等の精度に伴う問題が解消される。
【0063】
(23)また、本発明は、上記(22)において、サニャック型光干渉計を構成する光導波路、光カップラー部分、及び、アームも半導体光増幅領域としたことを特徴とする。
【0064】
この様に、サニャック型光干渉計を構成する光導波路、光カップラー部分、及び、アームも半導体光増幅領域とすることにより、光導波路、光カップラー部分、及び、アームにおけるレーザ発振光及び信号光7の減衰を防止することができ、また、製造工程も大幅に簡素化される。
【0067】
【発明の実施の形態】
ここで、図2乃至図7を参照して、本発明の第1乃至第6の実施の形態を説明するが、まず、図2を参照して本発明の第1の実施の形態を説明する。
図2参照
図2は、本発明の第1の実施の形態の利得クランプ型半導体光増幅装置の概念的構成図であり、信号光である光入力11を入射するための光ファイバ12、光ファイバ12からの光入力11を平行光束に変換するレンズ13、変換された光入力11の1/2を透過し、残りの1/2を反射するビームスプリッタ14、反射された光入力11を集束するレンズ15、集束された光入力11を増幅する半導体光増幅器16、半導体光増幅器16において増幅され、且つ、拡がって出射された光入力11を集束して光ファイバ19へ導く一対のレンズ17,18、及び、光ファイバ19によって信号光の光増幅系が構成され、増幅された信号光は光ファイバ19から光出力20として出射される。
【0068】
また、この利得クランプ型半導体光増幅装置は、可変光減衰器21及び回折格子22を備えており、回折格子22と光ファイバ19の入射側を劈開して形成した劈開端面によって半導体光増幅器16に対する波長選択性のあるレーザ共振器を構成するとともに、ビームスプリッタ14と回折格子22との間の信号光が通過しない部分に可変光減衰器21を配置し、レーザ共振器の共振器損失を制御する。
【0069】
なお、この場合の「信号光が通過しない部分」とは、信号光として有効に利用される光入力11が通過しない領域という意味であり、光入力11は光ファイバ19の劈開端面で反射して可変光減衰器21を通過して回折格子22に到達することになるが、回折格子22に波長選択性があるので、反射した光入力11が信号光として再び半導体光増幅器側へ向かうことはないので、この様な信号光として有効に利用される光入力11が通過しない領域を「信号光が通過しない部分」と定義するものである。
【0070】
また、この場合の半導体光増幅器16は、入出射端面において反射が生じないように多層誘電体膜からなる無反射コーティング(ARコーティング)を施したものを用い、また、活性層の光軸に垂直な断面形状を正方形にするか、或いは、引張歪を有する歪MQW(多重量子井戸)構造を用いることによって利得に偏波依存性が生じないように構成することが望ましい。
【0071】
また、この半導体光増幅器16は、長距離光通信に用いる光ファイバにおける減衰特性の観点からは、活性層の材質及び構造を考慮することによって発振波長が1.5μm帯(1.5〜1.6μm)になるように設定することが望ましく、1.5μm帯のある設定発振波長に対してのみレーザ共振器を構成するように回折格子22の光軸に対する傾きを制御する。
【0072】
また、可変光減衰器21としては、市販の各種の可変光減衰器を用いるものであり、信号光として有効に利用される光入力11は可変光減衰器21を通過しないので可変光減衰器21の減衰特性としては、レーザ発振波長、例えば、1.51μmの波長の光を減衰できるものであればどの様な構成の可変光減衰器を用いても良いものであり、減衰量を任意に制御するものである。
【0073】
この第1の実施の形態においては、半導体増幅器16によって増幅する前にビームスプリッタ14によって信号光は1/2に減衰されて半導体増幅器16に入射するので、光ファイバ12からみた系の実効的な飽和入力パワーが大きくなり、光ファイバ12に入射する段階における信号光としての光入力11の許容入射パワーの上限を2倍にすることができる。
したがって、この構成は、信号光のパワーが大きな時に向いている。
【0074】
また、回折格子22と光ファイバ19の劈開端面によって構成される外部共振器は回折格子22の傾斜角度に依存した波長依存性を有しているので、半導体光増幅器16の活性層の材質及び構造によって規定される波長に対してのみレーザ共振器として作用し、信号光の波長におけるレーザ発振を生ずることないので、キャリア密度を共振器損失で決定される発振しきい値キャリア密度にロックすることができ、それによって、利得を所定の値にクランプすることができる。
【0075】
また、この第1の実施の形態においては、外部共振器内に可変光減衰器21を設けているので、この可変光減衰器21の減衰量によって共振器損失を任意の値に連続的に制御することができ、それによって、半導体光増幅装置の特性を各種の用途に応じて最適な値に設定することができる。
【0076】
次に、図3を参照して本発明の第2の実施の形態を説明するが、この第2の実施の形態は、上記の第1の実施の形態の入力側と出力側を反対にしたものであり、その他の構成は第1の実施の形態と全く同様である。
図3参照
図3は、本発明の第2の実施の形態の利得クランプ型半導体光増幅装置の概念的構成図であり、半導体光増幅器16の光軸と平行な信号光となる光入力11を入射するための光ファイバ19、光ファイバ19からの光入力11を集束する一対のレンズ18,17、集束された光入力11を増幅する半導体光増幅器16、半導体光増幅器16において増幅され、且つ、拡がって出射された光入力11を平行光束に変換するレンズ15、変換された光入力11の1/2を透過し、残りの1/2を垂直方向に反射するビームスプリッタ14、反射された光入力11を集束して光ファイバ12へ導くレンズ13、及び、光ファイバ12によって信号光の増幅系が構成され、増幅された信号光は光ファイバ12から光出力20として出射される。
【0077】
また、この利得クランプ型半導体光増幅装置も、可変光減衰器21及び回折格子22を備えており、回折格子22と光ファイバ19の出射側を劈開して形成した劈開端面によって半導体光増幅器16に対する波長選択性のあるレーザ共振器を構成するとともに、ビームスプリッタ14と回折格子22との間の信号光が通過しない部分に可変光減衰器21を配置し、レーザ共振器の共振器損失を制御する。
【0078】
なお、この場合にビームスプリッタ14と回折格子22との間の領域にも増幅された光入力11の1/2が通過するが、回折格子22に波長選択性があるので、この増幅された1/2の光入力11が反射して再び信号光として有効に利用されることはないので、この第2の実施の形態においてもビームスプリッタ14と回折格子22との間の領域を「信号光が通過しない部分」と定義するものである。
【0079】
この第2の実施の形態においては、信号光は半導体増幅器16によって増幅された後にビームスプリッタ14によって1/2に減衰されるので光入力11の許容入射パワーを大きくすることはできないが、1/2に減衰される前に増幅するので、信号光としての光入力11が微弱な場合にも適正に増幅することができる。
【0080】
また、この第2の実施の形態においても、外部共振器内に可変光減衰器21を設けているので、この可変光減衰器21の減衰量によって共振器損失を任意の値に連続的に制御することができ、半導体光増幅装置の特性を各種の用途に応じて最適な値に設定することができる。
【0081】
また、この場合も、可変光減衰器21は、ビームスプリッタ14と回折格子22との間の信号光が通過しない部分に配置しているので、使用できる可変光減衰器21の減衰特性の自由度を大きくすることができる。
【0082】
次に、図4を参照して本発明の第3の実施の形態を説明するが、この第3の実施の形態においては、光入力11をビームスプリッタ14を介して入射するとともに、光出力20をビームスプリッタ23を介して取り出すようにしたものであり、その他の構成は上記の第1の実施の形態と全く同様である。
図4参照
図4は、本発明の第3の実施の形態の利得クランプ型半導体光増幅装置の概念的構成図であり、信号光である光入力11を入射するための光ファイバ12、光ファイバ12からの光入力11を平行光束に変換するレンズ13、変換された光入力11の1/2を透過し、残りの1/2を反射するビームスプリッタ14、反射された光入力11を集束するレンズ15、集束された光入力11を増幅する半導体光増幅器16、半導体光増幅器16において増幅され、且つ、拡がって出射された光入力11を平行光束に変換するレンズ17、変換された光入力11の1/2を透過し、残りの1/2を反射するビームスプリッタ23、反射された光入力11を集束して光ファイバ19へ導く一対のレンズ24、及び、光ファイバ19によって信号光の増幅系が構成され、増幅された信号光は光ファイバ19から光出力20として出射される。
【0083】
この第3の実施の形態においては、一対の回折格子22,25及び可変光減衰器21を備えており、この一対の回折格子22,25によって波長選択性のある外部共振器を構成するとともに、ビームスプリッタ23と回折格子22との間の信号光が通過しない部分に可変光減衰器21を配置し、レーザ共振器の共振器損失を用途に応じて任意に連続的に制御することができる。
【0084】
また、増幅前後で信号光の1/2はビームスプリッタ14,23においてロスとなるので損失が大きくなるが、光ファイバ12或いは光ファイバ19を外部共振器の構成要素として用いていないので、入出力端となる光ファイバ12及び光ファイバ19の入力端面或いは出射端面を劈開端面とする必要がなく、したがって、無反射面或いは低反射面にすることができるので、入出力端における反射損失が低減する。
【0085】
また、この第3の実施の形態においても、可変光減衰器21は、ビームスプリッタ23と回折格子22との間の信号光が通過しない部分に配置しているので、使用できる可変光減衰器21の減衰特性の自由度を大きくすることができる。
なお、この可変光減衰器21は、反対側のビームスプリッタ14と回折格子25との間の信号光が通過しない部分に配置しても良い。
【0086】
次に、図5を参照して本発明の第4の実施の形態を説明するが、この第4の実施の形態においては、ビームスプリッタを用いることなく信号光を入出力するものであり、したがって、レーザ共振器内に信号光が通過しない部分が存在しないものである。
図5参照
図5は、本発明の第4の実施の形態の利得クランプ型半導体光増幅装置の概念的構成図であり、信号光である光入力11を入射し、且つ、出射端側に外部共振器を構成するための回折格子を設けたファイバグレーティング、即ち、ファイバ回折格子26、ファイバ回折格子26からの光入力11を集束する一対のレンズ13,15、集束された光入力11を減衰せずに透過し、且つ、レーザ発振光を任意に減衰する可変光減衰器21、可変光減衰器21を透過した光入力11を集束する一対のレンズ18,17、集束された光入力11を増幅する半導体光増幅器16、半導体光増幅器16において増幅され、且つ、拡がって出射された光入力11を集束して入射端側に外部共振器を構成するための回折格子を設けたファイバ回折格子29へ導く一対のレンズ27,28、及び、ファイバ回折格子29によって構成され、増幅された信号光はファイバ回折格子29から光出力20として出射される。
【0087】
この場合の外部共振器は、入射端面側或いは出射端面側に屈折率分布を設けて回折格子とした一対のファイバ回折格子26,29との間で構成されており、通常の回折格子を用いていないので構成が簡素化されるが、この外部共振器の波長依存性はファイバ回折格子26,29に設けた回折格子の周期によって決定されるので、ファイバ回折格子26,29を交換しない限り固定されることになる。
但し、通常は、半導体光増幅器16のレーザ発振波長は素子設計の際に決定されているので問題はない。
なお、ファイバ回折格子26,29の一方を端面を劈開した通常の光ファイバに置き換えて、ファイバ回折格子と通常の光ファイバの組合せにしても良い。
【0088】
この場合には、信号光が通過する部分に可変光減衰器21を設けているので、この可変光減衰器21において信号光が減衰されないように、可変光減衰器21の減衰特性を正確に設定する必要がある。
例えば、この様な可変光減衰器21としてpin構造の電界吸収型光変調器を用い、この電界吸収型光変調器の吸収端波長がレーザ発振波長より短波長側になり、且つ、電界を印加した場合に吸収端波長が長波長側に移動することによってレーザ発振光を吸収するように正確に設定する必要があり、且つ、信号光の波長を、電界印加によっても吸収されないようにレーザ発振波長より長波長側に設定する必要がある。
【0089】
また、この第4の実施の形態において用いている半導体光増幅器16の構成は上記の第1の実施の形態の場合と全く同様であり、端面において反射が生じないように多層誘電体膜からなる無反射コーティングを施したものを用い、また、活性層の光軸に垂直な断面形状を正方形にするか、或いは、引張歪を有する歪MQW(多重量子井戸)構造を用いることによって利得に偏波依存性が生じないように構成することが望ましく、さらには、長距離光通信に用いる光ファイバにおける減衰特性の観点からは、活性層の材質及び構造を考慮することによって利得波長が1.5μm帯になるように設定することが望ましい。
【0090】
この様に、第4の実施の形態においてはビームスプリッタを用いていないので、ビームスプリッタに起因する光損失、即ち、透過光損失をなくすことができ、また、通常の回折格子を用いていないので装置の全体構成が簡素化・小型化され、さらに、ファイバ回折格子26,29の入出射端面自体は外部共振器を構成しないので、劈開端面である必要はなく、したがって、端面をテーパにしてレンズ機能を持たせたり、また、入出射端面を無反射或いは低反射とすることによって信号光の反射損失や不所望な戻り光を防止することができる。
【0091】
次に、図6を参照して本発明の第5の実施の形態を説明するが、この第5の実施の形態においては、半導体光増幅器と可変光減衰器をモノリシックに集積化したものであり、その他の構成は上記の第4の実施の形態と全く同様である。
図6参照
図6は、本発明の第5の実施の形態の利得クランプ型半導体光増幅装置の概念的構成図であり、信号光である光入力11を入射し、且つ、出射端側に外部共振器を構成するための回折格子を設けたファイバ回折格子26、ファイバ回折格子26からの光入力11を集束する一対のレンズ13,15、集束された光入力11を減衰せずに透過し、且つ、レーザ発振光を任意に減衰する可変光減衰器、即ち、可変光減衰領域33と、光入力11を増幅する半導体光増幅器、即ち、半導体光増幅領域32とを半導体基板31上にモノリシックに集積化したモノリシック光半導体装置30、半導体光増幅領域32において増幅され、且つ、拡がって出射された光入力11を集束して入射端側に外部共振器を構成するための回折格子を設けたファイバ回折格子29へ導く一対のレンズ17,18、及び、ファイバ回折格子29によって構成され、増幅された信号光はファイバ回折格子29から光出力20として出射される。
なお、この場合も、ファイバ回折格子26,29の一方を端面を劈開した通常の光ファイバに置き換えて、ファイバ回折格子と通常の光ファイバの組合せにしても良い。
【0092】
この場合のモノリシック光半導体装置30は、例えば、n型InPからなる半導体基板31上に、通常のエピタキシャル成長法によってInGaAsP/InP系のダブルヘテロ接合構造を形成し一方の領域を半導体光増幅領域32とし、他方の領域をpin構造の電界吸収型光変調器からなる可変光減衰領域33とするものである。
【0093】
例えば、この半導体光増幅領域32におけるレーザ発振波長は、例えば、1.51μmになるように光ファイバ回折格子26,29の周期を設定するとともに、利得の偏波依存性をなくすために活性層の光軸に垂直な断面形状を正方形にするか、或いは、引張歪を有する歪MQW(多重量子井戸)構造とする。
【0094】
一方、可変光減衰領域33における信号光の減衰を防止し、且つ、電界を印加しない場合におけるレーザ発振光の減衰を防止するために、例えば、InGaAsP光吸収層の組成を1.48μm組成になるようにし、半導体光増幅領域32の一部を除去した部分に再成長により可変光減衰領域33を形成すれば良いので、可変光減衰領域の減衰特性を素子設計段階で正確に決定することができる。
なお、この場合にも、モノリシック光半導体装置30の入出射端面において反射が生じないように多層誘電体膜からなる無反射コーティングを施す。
【0095】
この様に、第5の実施の形態においてもビームスプリッタを用いていないので、ビームスプリッタに起因する光損失をなくすことができ、また、半導体光増幅器と可変光減衰器をモノリシックに集積化しているので、可変光減衰器を小型化することができ、さらに、半導体光増幅器と可変光減衰器の間に設ける一対のレンズが不要になるので、装置の全体構成を簡素化・小型化することができる。
【0096】
また、この場合にも、ファイバ回折格子26,29の入出射端面自体は外部共振器を構成しないので、劈開端面である必要はなく、したがって、入出射端面を無反射或いは低反射とすることによって、信号光の反射損失や不所望な戻り光を防止することができる。
【0097】
次に、図7を参照して本発明の第6の実施の形態を説明するが、この第6の実施の形態においては、半導体光増幅器及び可変光減衰器に対しレーザ共振器を構成する反射鏡をDBR(分布ブラッグ反射器)領域としてモノリシックに集積化したものである。
図7参照
図7は、本発明の第6の実施の形態の利得クランプ型半導体光増幅装置の概念的構成図であり、信号光である光入力11を入射する光ファイバ12、光ファイバ12からの光入力11を集束する一対のレンズ13,15、集束された光入力11を減衰せずに透過し、且つ、レーザ発振光を任意に減衰する可変光減衰領域33と、光入力11を増幅する半導体光増幅領域32とを半導体基板35上にモノリシックに集積化するとともに、その入出力端面側にレーザ共振器を構成するための一対のDBR領域36,37を集積化したモノリシック光半導体装置34、半導体光増幅領域32において増幅され、且つ、DBR領域37から拡がって出射された光入力11を集束して入射端側に外部共振器を構成するための回折格子を設けた光ファイバ19へ導く一対のレンズ17,18、及び、光ファイバ19によって構成され、増幅された信号光は光ファイバ19から光出力20として出射される。
【0098】
この場合のモノリシック光半導体装置34は、例えば、n型InPからなる半導体基板31上に、通常のエピタキシャル成長法によってInGaAsP/InP系のダブルヘテロ接合構造を形成し一方の領域を半導体光増幅領域32とし、他方の領域をpin構造の電界吸収型光変調器からなる可変光減衰領域33とすると共に、両端面側に周期的凹凸を設けて回折格子を形成しDBR領域36,37としたものである。
【0099】
この半導体光増幅領域32におけるレーザ発振波長も、例えば、1.51μmになるようにDBR領域36,37の回折格子の周期を設定するとともに、利得に偏波依存性が生じないように活性層の光軸に垂直な断面形状を正方形にするか、或いは、引張歪を有する歪MQW(多重量子井戸)構造とし、また、可変光減衰領域33における信号光の減衰を防止し、且つ、電界を印加しない場合におけるレーザ発振光の減衰を防止するために可変光減衰領域33を構成するInGaAsP光吸収層の組成を1.48μm組成になるように設定することが望ましい。
【0100】
一方、DBR領域36,37においてレーザ発振光の吸収が生じないように、DBR領域36,37の光導波用コア層の組成をレーザ発振波長より短波長側に、例えば、1.30μm組成になるように設定し、この光導波用コア層の近傍に周期的凹凸を形成すれば良い。
【0101】
この様に、第6の実施の形態においてもビームスプリッタを用いていないので、ビームスプリッタによる光損失をなくすことができ、また、半導体光増幅器16と可変光減衰器21、及び、DBR領域36,37をモノリシックに集積化しているので、レーザ共振器構造をはじめとする装置の全体構成を簡素化、小型化することができる。
【0102】
また、この場合には、レーザ共振器は一対のDBR領域36,37によって構成されるので、ファイバ回折格子等を用いて外部共振器を構成する必要はなく、したがって、入出力用光ファイバとしては通常の光ファイバ12,19を用いれば良く、且つ、光ファイバ12,19の入出射端面を無反射或いは低反射とすることによって信号光の反射損失や不所望な戻り光を防止することができる。
【0103】
次に、図8乃至図12を参照して、本発明の第7乃至第11の実施の形態のマッハツェンダー干渉器を用いた利得クランプ型半導体光増幅装置を説明する。
図8参照
図8は、本発明の第7の実施の形態の利得クランプ型半導体光増幅装置の概念的構成図であり、この利得クランプ型半導体光増幅装置の基本構成部となるマッハツェンダー干渉器40は、半導体基板45上に形成された2つの方向性結合器46,47を2つの2×2(2対2)型光合分岐器として用い、2つの方向性結合器46,47の間の一対のアームの双方に半導体光増幅器48,49を設けたものであり、先端にレンズが設けられた集束光ファイバ42から前段の方向性結合器46の一方の入力ポートへ入力された信号光としての光入力41は、方向性結合器46の結合部において1/2づつに分岐されて半導体光増幅器48,49において増幅されたのち、後段の方向性結合器47の結合部において結合され、信号光が入力した入力ポートとクロス(Cross)位置の出力ポートから集束光ファイバ43を介して光出力44として出力される。
【0104】
一方、レーザ共振器は、後段の方向性結合器47の他方の出力ポートの劈開端面に設けられた多層誘電体膜からなる高反射膜50と、可変光減衰器52の外側の端面に設けた多層誘電体膜からなる高反射膜53によって形成され、このレーザ共振器内にレンズ対51を介して可変光減衰器52を挿入し、可変光減衰器52によって共振器損失を任意に連続的に制御することができる。
【0105】
この場合のマッハツェンダー干渉器40は、n型InPからなる半導体基板45上に、例えば、活性層が1.55μm波長組成の歪MQW構造となるInGaAsP/InP系のダブルヘテロ接合構造を積層させて半導体光増幅器48,49を形成するための積層構造を形成し、半導体光増幅器48,49を形成するための領域以外を除去したのち、除去部に波長組成が、例えば、1.30μmとなる光導波コア層を備えたダブルヘテロ接合構造を積層させ、図に示すような形状にメサエッチングすることによって、2つの2×2型の方向性結合器46,47とその間に挟まれた半導体光増幅器48,49を形成したものである。
【0106】
この第7の実施の形態においては、レーザ発振光と信号光が増幅領域以外に領域においては空間的に分離されるので、レーザ共振器に波長依存性を持たせる必要はなく、通常の劈開面自体や劈開面に設けた高反射率の多層誘電体膜等で反射鏡を構成することができるので共振器構造が簡素化され、また、キャリア密度を共振器損失で決定される発振しきい値キャリア密度にロックすることができ、それによって、利得を所定の値にクランプすることができる。
【0107】
また、可変光減衰器52は、信号光の通過しない部分に設けられているので、可変光減衰器52としては、レーザ発振光に対する減衰特性のみを考慮すれば良いので使用し得る可変光減衰器52の自由度が大きくなり、市販されている各種の光減衰器を用いることができる。
【0108】
また、この第7の実施の形態においては、ビームスプリッタを用いていないので、ビームスプリッタに起因する光損失をなくすことができるとともに装置全体の構成が簡素化される。
なお、入出力のための光ファイバとして集束性光ファイバ42,43を用いているが、集束性光ファイバに限られるものではなく、上記の第6の実施の形態と同様に一対のレンズと通常の光ファイバとの組合せを用いても良いものである。
【0109】
次に、図9を参照して本発明の第8の実施の形態を説明するが、この第8の実施の形態においては、2×2型光合分岐器として3dBのマルチモード干渉器を用いたものであり、その他の構成は上記の第7の実施の形態と全く同様である。
図9参照
図9は、本発明の第8の実施の形態の利得クランプ型半導体光増幅装置の概念的構成図であり、この利得クランプ型半導体光増幅装置の基本構成部となるマッハツェンダー干渉器60は、半導体基板65上に形成された2つの3dBのマルチモード干渉器66,67を2つの2×2型光合分岐器として用い、2つのマルチモード干渉器66,67の間の一対のアームの双方に半導体光増幅器68,69を設けたものであり、先端にレンズが設けられた集束光ファイバ62から前段のマルチモード干渉器66の一方の入力ポートへ入力された信号光としての光入力61は、マルチモード干渉器66の干渉部において1/2づつに分岐されて半導体光増幅器68,69において増幅されたのち、後段のマルチモード干渉器67の干渉部において結合され、信号光が入力した入力ポートとクロス位置の出力ポートから集束光ファイバ63を介して光出力64として出力される。
【0110】
この場合のレーザ共振器も、後段のマルチモード干渉器67の他方の出力ポートの劈開端面に設けられた多層誘電体膜からなる高反射膜70と、可変光減衰器72の外側の端面に設けた多層誘電体膜からなる高反射膜73によって形成され、このレーザ共振器内にレンズ対71を介して可変光減衰器72を挿入し、可変光減衰器72によって共振器損失を任意に連続的に制御することができる。
【0111】
この場合のマッハツェンダー干渉器60は、n型InPからなる半導体基板65上に、例えば、活性層が1.55μm波長組成の歪MQW構造となるInGaAsP/InP系のダブルヘテロ接合構造を積層させて半導体光増幅器68,69を形成するための積層構造を形成し、半導体光増幅器68,69を形成するための領域以外を除去したのち、除去部に波長組成が、例えば、1.30μmとなる光導波コア層を備えたダブルヘテロ接合構造を積層させ、図に示すような形状にメサエッチングすることによって、2つの2×2型のマルチモード干渉器66,67とその間に挟まれた半導体光増幅器68,69を形成したものである。
【0112】
この第8の実施の形態においては、2×2型光合分岐器として3dBのマルチモード干渉器66,68を用いているので、上記の第7の実施の形態のように2×2型光合分岐器として方向性結合器46,47を用いた場合より2×2型光合分岐器の製作トレランスを大きく、即ち、寸法精度の許容度を大きくすることができ、それによって半導体光増幅装置を高歩留りで製造することができる。
【0113】
また、この第8の実施の形態においても、レーザ発振光と信号光が増幅領域以外に領域においては空間的に分離されるので、レーザ共振器に波長依存性を持たせる必要はないので、通常の劈開面自体や劈開面に設けた高反射率の多層誘電体膜等で反射鏡を構成することができるので共振器構造が簡素化され、さらに、ビームスプリッタを用いていないので、ビームスプリッタに起因する光損失をなくすことができるので、装置全体の構成をさらに簡素化することができる。
なお、この場合も、入出力のための光ファイバとして集束性光ファイバ42,43を用いているが、集束性光ファイバに限られるものではなく、上記の第6の実施の形態と同様に一対のレンズと通常の光ファイバとの組合せを用いても良いものである。
【0114】
また、可変光減衰器72は、信号光の通過しない部分に設けられているので、可変光減衰器72としては、レーザ発振光に対する減衰特性のみを考慮すれば良いので使用し得る可変光減衰器72の自由度が大きくなる、市販されている各種の光減衰器を用いることができる。
【0115】
次に、図10を参照して本発明の第9の実施の形態を説明するが、この第9の実施の形態においては、ファイバ回折格子を用いてレーザ共振器に波長選択性を持たせたものであり、その他の構成は上記の第8の実施の形態と全く同様である。
図10参照
図10は、本発明の第9の実施の形態の利得クランプ型半導体光増幅装置の概念的構成図であり、この利得クランプ型半導体光増幅装置の基本構成部となるマッハツェンダー干渉器60は、上記の第8の実施の形態と全く同様に、半導体基板65上に形成された2つの3dBのマルチモード干渉器66,67を2つの2×2型光合分岐器として用い、2つのマルチモード干渉器66,67の間の一対のアームの双方に半導体光増幅器68,69を設けたものであり、先端にレンズが設けられた集束光ファイバ62から前段のマルチモード干渉器66の一方の入力ポートへ入力された信号光としての光入力61は、マルチモード干渉器66の干渉部において1/2づつに分岐されて半導体光増幅器68,69において増幅されたのち、後段のマルチモード干渉器67の干渉部において結合され、信号光が入力した入力ポートとクロス位置の出力ポートから集束光ファイバ63を介して光出力64として出力される。
【0116】
一方、この場合のレーザ共振器は、後段のマルチモード干渉器67の他方の出力ポートの端面に設けられた多層誘電体膜からなる高反射膜70と、可変光減衰器72の外側に配置されたファイバ回折格子74によって構成され、この共振器内にレンズ対71を介して可変光減衰器72が挿入された構成となり、可変光減衰器72によって共振器損失を任意に連続的に制御することができる。
【0117】
この第9の実施の形態においては、ファイバ回折格子74によってレーザ共振器に波長選択性を持たせているので、レーザ発振波長が安定し、信号光との不所望な非線型相互作用が生ずることがなく、安定した信号光の増幅が可能になる。例えば、レーザ発振波長が不安定な場合、レーザ発振波長が所期の波長より長波長側に遷移すると、信号光との波長差λ1 −λ2 小さくなって4光混合による位相共役波が発生し、出力ポートより信号光と一緒に光出力64として出射されるので、光通信を安定に行うためには位相共役波を分離・除去するためのフィルタ等を設ける必要が生ずるが、この第9の実施の形態においては、その様な問題は発生しない。
【0118】
また、この第9の実施の形態においても、2×2型光合分岐器として3dBのマルチモード干渉器66,67を用いているので、上記の第7の実施の形態のように2×2型光合分岐器として方向性結合器46,47を用いた場合より2×2型光合分岐器の製作トレランスを大きくすることができ、それによって半導体光増幅装置を高歩留りで製造することができる。
なお、その他の作用効果、特性等は上記の第8の実施の形態と同様である。
【0119】
次に、図11を参照して本発明の第10の実施の形態を説明するが、この第10の実施の形態においては、一対のファイバ回折格子を用いてレーザ共振器に波長選択性を持たせると共に、可変光減衰器をマッハツェンダー干渉器60内に電界吸収型光変調器としてモノリシックに一体に組み込んだものであり、その他の構成は上記の第9の実施の形態と全く同様である。
図11参照
図11は、本発明の第10の実施の形態の利得クランプ型半導体光増幅装置の概念的構成図であり、この利得クランプ型半導体光増幅装置の基本構成部となるマッハツェンダー干渉器60は、上記の第8の実施の形態と同様に、半導体基板65上に形成された2つの3dBのマルチモード干渉器66,67を2つの2×2型光合分岐器として用い、2つのマルチモード干渉器66,67の間の一対のアームの双方に半導体光増幅器68,69を設けたものであり、先端にレンズが設けられた集束光ファイバ62から前段のマルチモード干渉器66の一方の入力ポートへ入力された信号光としての光入力61は、マルチモード干渉器66の干渉部において1/2づつに分岐されて半導体光増幅器68,69において増幅されたのち、後段のマルチモード干渉器67の干渉器において結合され、信号光が入力した入力ポートとクロス位置の出力ポートから集束光ファイバ63を介して光出力64として出力される。
【0120】
一方、この場合のレーザ共振器は、後段のマルチモード干渉器67の他方の出力ポートの端面側に設けられた光ファイバ回折格子76と、前段のマルチモード干渉器66の他方の入力ポートの端面側に設けられた光ファイバ回折格子74によって構成され、また、この第10の実施の形態おいては、可変光減衰器を電界吸収型光変調器75として、前段のマルチモード干渉器66の他方の入力ポート側にモノリシックに一体に設けたものである。
【0121】
この場合のマッハツェンダー干渉器60は、n型InPからなる半導体基板65上に、例えば、活性層が1.55μm波長組成の歪MQW構造となるInGaAsP/InP系のダブルヘテロ接合構造を積層させて半導体光増幅器68,69を形成するための積層構造を形成し、半導体光増幅器68,69を形成するための領域以外を除去したのち、除去部に波長組成が、例えば、1.30μmとなる光導波コア層を備えたダブルヘテロ接合構造を積層させ、次いで、前段のマルチモード干渉器66を形成する領域の近傍の積層構造の一部を除去したのち、吸収層として波長組成が1.48μmのInGaAsP層からなる電界吸収型光変調器を形成するためのpin構造を積層させ、図に示すような形状にメサエッチングすることによって、2つの2×2型のマルチモード干渉器66,67とその間に挟まれた半導体光増幅器68,69、及び、電界吸収型光変調器75を形成したものであり、この電界吸収型光変調器75によって共振器損失を任意に連続的に制御することができる。
【0122】
この様に、可変光減衰器として集積化した電界吸収型光変調器75を用いることによって可変光減衰器を小型化することができ、さらに、電界吸収型光変調器75と前段のマルチモード干渉器66との間のレンズ対71も不要になるので、半導体光増幅装置をより小型化することができる。
【0123】
この第10の実施の形態においては、レーザ共振器を1対のファイバ回折格子74,76で構成しているので、レーザ発振波長がより安定し、信号光との不所望な非線型相互作用が生ずることがなく、安定した信号光の増幅が可能になるものであり、その他の作用効果、特性等は上記の第8の実施の形態と同様である。
【0124】
なお、この第10の実施の形態においては、可変光減衰器として集積化が容易な電界吸収型光変調器75を用いているが、この場合にはマッハツェンダー干渉器60を用いているので信号光とレーザ発振光が増幅領域以外の領域においては空間的に分離され、したがって、電界吸収型光変調器75に特別な光吸収特性が要求されないので、他の構成の可変光減衰器、例えば、電流注入型の半導体光吸収素子等を用いても良いものである。
【0125】
次に、図12を参照して本発明の第11の実施の形態を説明するが、この第11の実施の形態においては、レーザ共振器として波長選択性を有する反射鏡となるDBR領域をマルチモード干渉器の入出力ポート側にモノリシックに一体に組み込んだものであり、その他の構成は上記の第10の実施の形態と全く同様である。
図12参照
図12は、本発明の第11の実施の形態の利得クランプ型半導体光増幅装置の概念的構成図であり、この利得クランプ型半導体光増幅装置の基本構成部となるマッハツェンダー干渉器60は、上記の第8の実施の形態と同様に、半導体基板65上に形成された2つの3dBのマルチモード干渉器66,67を2つの2×2型光合分岐器として用い、2つのマルチモード干渉器66,67の間の一対のアームの双方に半導体光増幅器68,69を設けたものであり、先端にレンズが設けられた集束光ファイバ62から前段のマルチモード干渉器66の一方の入力ポートへ入力された信号光としての光入力61は、マルチモード干渉器66の干渉部において1/2づつに分岐されて半導体光増幅器68,69において増幅されたのち、後段のマルチモード干渉器67の干渉部において結合され、信号光が入力した入力ポートとクロス位置の出力ポートから集束光ファイバ63を介して光出力64として出力される。
【0126】
一方、この場合のレーザ共振器は、後段のマルチモード干渉器67の他方の出力ポート側に設けられたDBR領域77と、前段のマルチモード干渉器66の他方の入力ポート側に設けられたDBR領域78によって構成され、また、この第11の実施の形態おいては、可変光減衰器79として、電界吸収型光変調器を前段のマルチモード干渉器66の他方の入力ポート側にモノリシックに一体に設けたものである。
【0127】
この場合のマッハツェンダー干渉器60も、n型InPからなる半導体基板65上に、例えば、活性層が1.55μm波長組成の歪MQW構造となるInGaAsP/InP系のダブルヘテロ接合構造を積層させて半導体光増幅器68,69を形成するための積層構造を形成し、半導体光増幅器68,69を形成するための領域以外を除去したのち、除去部に波長組成がレーザ発振波長より短波長側に、例えば、1.30μmとなる光導波コア層を備えたダブルヘテロ接合構造を積層させ、次いで、前段のマルチモード干渉器66を形成する領域近傍の積層構造の一部を除去したのち、吸収層として波長組成が1.48μmのInGaAsP層からなる電界吸収型光変調器を形成するためのpin構造を積層させ、図に示すような形状にメサエッチングすることによって、2つの2×2型のマルチモード干渉器66,67とその間に挟まれた半導体光増幅器68,69、可変光減衰器79、及び、DBR領域77,78を形成したものであり、この可変光減衰器79によって共振器損失を任意に連続的に制御することができる。
なお、DBR領域77,78は、光導波用コア層を成長したのち、或いは、光導波用コア層の成長前に、光導波用コア層の近傍に周期的凹凸を形成して回折格子を形成し、その後、所定の層構造を積層させて形成する。
【0128】
この様に、レーザ共振器をDBR領域77,78を用いて内部共振器として形成しているので、装置構成が簡素化されるので装置の組立が容易になり、また、可変光減衰器79も集積化しているので可変光減衰器79も小型化することができ、それによって、半導体光増幅装置をより小型化することができる。
【0129】
この第11の実施の形態においては、レーザ共振器を1対のDBR領域77,78で構成しているので、レーザ共振器の波長選択性を素子設計段階及び製造段階で設定しているので、外部共振器を用いる場合に様な波長選択性に関する注意が軽減されるものであり、その他の作用効果、特性等は上記の第10の実施の形態と同様である。
【0130】
なお、この第11の実施の形態においては、可変光減衰器79として集積化が容易な電界吸収型光変調器を用いているが、この場合にも可変光減衰器79に特別な光吸収特性は要求されないので、他の構成の可変光減衰器、例えば、電流注入型の半導体光吸収素子等を用いても良いものである。
【0131】
次に、図13乃至図17を参照して、本発明の第12乃至第16の実施の形態のサニャック型干渉計を用いた利得クランプ型半導体光増幅装置を説明する。
図13参照
図13は、本発明の第12の実施の形態の利得クランプ型半導体光増幅装置の概念的構成図であり、この利得クランプ型半導体光増幅装置を構成するサニャック型干渉計80は、光ファイバで構成された信号光に対する入出力側光導波路82、同じく光ファイバで構成された方向性結合器83、アーム84,86、アーム84,86の中間に配置された半導体光増幅器85、同じく光ファイバで構成されレーザ共振器を構成するレーザ側光導波路88、及び、多層誘電体膜からなる高反射膜89によって構成される。
【0132】
この場合、レーザ共振器は、高反射膜89、レーザ側光導波路88、方向性結合器、アーム84,85、及び、半導体光増幅器85によって構成され、半導体光増幅器85で発生したレーザ発振光は、高反射膜89によって反射され、再びアーム側に向かい、その際、光カップラーを構成する方向性結合器83において右回りのレーザ発振光と、左回りのレーザ発振光とに2等分されるが、方向性結合器83においてクロス側に伝搬される左回りのレーザ発振光の位相はπ/2だけずれることになり、一方、右回りのレーザ発振光もアーム84から方向性結合83においてクロス側のレーザ側光導波路88に帰還する際に、位相がπ/2だけずれるので、レーザ側光導波路88においては左回りのレーザ発振光も右回りのレーザ発振光も同じ位相になり、干渉によって消滅することがない。
【0133】
一方、右回りのレーザ発振光の内、アーム84から方向性結合器83を介して入出力側光導波路82に向かう成分の位相に変化はないものの、左回りのレーザ発振光の内、アーム86から方向性結合器83を介してクロス側の入出力側光導波路82に向かう成分は、方向性結合器83を二度クロスするのでその位相は(π/2)×2=πだけずれるので、入出力側光導波路82において右回りのレーザ発振光と左回りのレーザ発振光とが逆位相になり、干渉して消滅するので、入出力側光導波路82からレーザ発振光が出力されることがない。
【0134】
また、信号光についても同様であり、入出力側光導波路82に入力される光入力81は、半導体光増幅器85で増幅され、環状のアーム84,86を伝搬したのち、再び、入出力側光導波路82から増幅された光出力87として出力され、レーザ側光導波路88を伝搬することがない。
【0135】
したがって、このサニャック型光干渉計80においては、レーザ発振光と信号光とが完全に空間的に分離されることになるので、レーザ共振器に波長依存性を持たせる必要はなく、通常の光ファイバの劈開面自体や劈開面に設けた高反射率の多層誘電体膜等で反射鏡を構成することができるので共振器構造が簡素化される。
【0136】
この第12の実施の形態においては、サニャック型光干渉計80を用いているので、半導体光増幅器85は一つだけで良く、一対の半導体光増幅器を用いる上記の第7乃至第11の実施の形態に比べて、半導体光増幅器85に要求される対称動作に関する要件をなくすことができ、したがって、より安定にレーザ発振光と信号光を空間的に分離することができる。
【0137】
また、この第12の実施の形態においては、サニャック型光干渉計80の光増幅器85以外の部分を光ファイバを用いて構成しているので、特別の微細加工技術を必要とすることなく安定動作が可能な利得クランプ型の半導体光増幅装置を構成することができる。
【0138】
次に、図14を参照して本発明の第13の実施の形態を説明するが、この第13の実施の形態においては、上記の第12の実施の形態における高反射膜89の代わりにレーザ側光導波路88の端部に回折格子90を設けたものであり、即ち、レーザ側光導波路88をファイバ回折格子で構成したものであり、その他の構成は上記の第12の実施の形態と全く同様であるので、説明は簡単にする。
図14参照
図14は、本発明の第13の実施の形態の利得クランプ型半導体光増幅装置の概念的構成図であり、この利得クランプ型半導体光増幅装置を構成するサニャック型干渉計80は、光ファイバで構成された信号光に対する入出力側光導波路82、同じく光ファイバで構成された方向性結合器83、アーム84,86、アーム84,86の中間に配置された半導体光増幅器85、同じく光ファイバで構成されレーザ共振器を構成するレーザ側光導波路88、及び、レーザ側光導波路88の一端に形成した回折格子90によって構成される。
【0139】
この場合の動作原理及び主要な特徴点は、上記の第12の実施の形態と同様であるが、この第13の実施の形態においては、レーザ側光導波路88の一端に回折格子90を形成して、波長選択性を有する反射鏡としているので、レーザ発振光の発振波長が安定化し、信号光の波長とレーザ発振光の波長との差を安定して維持することができ、それによって、信号光とレーザ発振光との不所望な相互作用による非線型効果等の発生を防止することができる。
【0140】
次に、図15を参照して本発明の第14の実施の形態を説明するが、この第14の実施の形態においては、半導体光増幅器以外の部分を誘電体を用いたプレーナ光回路(PLC)によって構成したものである。
図15参照
図15は、本発明の第14の実施の形態の利得クランプ型半導体光増幅装置の概念的構成図であり、この利得クランプ型半導体光増幅装置を構成するサニャック型干渉計100は、石英基板等のPLC基板102に設けられた信号光に対する入出力側光導波路103、方向性結合器104、アーム105,107、アーム105,107の中間にハイブリッド的に設けられた半導体光増幅器106、レーザ共振器を構成するレーザ側光導波路109、及び、レーザ側光導波路109の一端に形成した回折格子110によって構成される。
【0141】
この場合のサニャック型干渉計100は、例えば、石英基板等のPLC基板102上にCVD法を用いてSiO2 膜からなる下部クラッド層及びGeO2 をドープして屈折率を高くしたSiO2 膜からなるコア層を堆積させたのち、反応性イオンエッチングによって、入出力側光導波路103、方向性結合器104、アーム105,107、レーザ側光導波路109を構成する「Ω」状のパターンにコア層をエッチングする。
【0142】
次いで、再び、CVD法によってSiO2 膜からなる上部クラッド層を堆積させたのち、レーザ側光導波路109の一端に干渉露光法を用いて回折格子110を形成したのち、アーム105,107を構成する環状部の光導波路の中央部に半導体光増幅器106をハイブリッド実装するためのPLC基板102に達する凹部を形成し、最後に、この凹部に半導体光増幅器106をアーム105,107に対して光軸合わせした状態でハイブリッド実装する。
なお、この場合の半導体光増幅器106としては、例えば、活性層が1.55μm波長組成の歪MQW構造となるInGaAsP/InP系半導体光増幅器を用いれば良い。
【0143】
この第14の実施の形態においては、サニャック型干渉計100の半導体光増幅器以外の部分を誘電体を用いたプレーナ光回路(PLC)によって形成しているので、光ファイバを用いた上記第12及び第13の実施の形態に比べて装置構成を大幅に簡素化・小型化することができる。
なお、動作原理及び主要な特徴点は、上記の第13の実施の形態と同様であり、光入力101は半導体光増幅器106で増幅されたのち光出力108として入出力側光導波路103から出力される。
【0144】
なお、この第14の実施の形態においては、PLCの材料構成及び製造方法は、上記の材料構成及び製造方法に限られるものではなく、例えば、クラッド層及びコア層の成膜方法は、通常の常圧CVD法に限られるものではなく、プラズマCVD法或いは減圧CVD法を用いても良いものであり、さらには、火炎堆積法を用いても良いものである。
【0145】
また、コア層を構成するためにSiO2 にドープするドーパントは、GeO2 に限られるものではなく、TiO2 或いはP2 5 等をドープしても良いものであり、さらには、コア層をSiOx y z 等の別の材料系を用いて構成しても良いものである。
【0146】
次に、図16を参照して本発明の第15の実施の形態を説明するが、この第15の実施の形態においては、サニャック型光干渉計全体を半導体を用いてモノリシックに構成したものである。
図16参照
図16は、本発明の第15の実施の形態の利得クランプ型半導体光増幅装置の概念的構成図であり、この利得クランプ型半導体光増幅装置を構成するサニャック型干渉計120は、半導体基板122に設けられた信号光に対する入出力側光導波路123、方向性結合器124、アーム125,127、アーム125,127の中間に設けられた半導体光増幅器126、レーザ共振器を構成するレーザ側光導波路129、及び、レーザ側光導波路129の一端に形成した回折格子130によって構成される。
【0147】
この場合のサニャック型干渉計120は、例えば、n型InPからなる半導体基板122上に、例えば、活性層が1.55μm波長組成の歪MQW構造となるInGaAsP/InP系のダブルヘテロ接合構造を積層させて半導体光増幅器126を形成するための積層構造を形成し、半導体光増幅器126を構成するための領域以外を除去したのち、除去部に波長組成がレーザ発振波長より短波長側に、例えば、1.30μmとなる光導波コア層を備えたダブルヘテロ接合構造を積層させ、次いで、「Ω」状にメサエッチングすることによって入出力側光導波路123、方向性結合器124、アーム125,127、及び、レーザ側光導波路129を形成したものである。
なお、回折格子130、即ち、DBR領域は、光導波用コア層を成長したのち、或いは、光導波用コア層の成長前に、光導波用コア層の近傍に周期的凹凸を形成して回折格子を形成し、その後、前述の所定の層構造を積層させて形成するものである。
【0148】
この様に、本発明の第15の実施の形態においては、サニャック型干渉計120の全体構成を半導体を用いてモノリシックに形成しているので、全体構成をさらに小型化することができ、また、上記の第14の実施の形態の様なハイブリッド実装が必要ではないので、実装の際の光軸合わせが不要になり、光軸合わせの精度に依存する光学特性の劣化等が発生することがない。
なお、動作原理及び主要な特徴点は、上記の第14の実施の形態と同様であり、光入力121は半導体光増幅器126で増幅されたのち光出力128として入出力側光導波路123から出力される。
【0149】
次に、図17を参照して本発明の第16の実施の形態を説明するが、この第16の実施の形態においては、上記の第15の実施の形態のサニャック型光干渉計に可変光減衰器として電界吸収型光変調器をモノリシックに組み込んだものである。
図17参照
図17は、本発明の第16の実施の形態の利得クランプ型半導体光増幅装置の概念的構成図であり、この利得クランプ型半導体光増幅装置を構成するサニャック型干渉計120は、半導体基板122に設けられた信号光に対する入出力側光導波路123、方向性結合器124、アーム125,127、アーム125,127の中間に設けられた半導体光増幅器126、レーザ共振器を構成するレーザ側光導波路129、レーザ側光導波路129の中間部に設けられた電界吸収型光変調器131、及び、レーザ側光導波路129の一端に設けられた回折格子130によって構成される。
【0150】
この場合のサニャック型干渉計120も、例えば、n型InPからなる半導体基板122上に、例えば、活性層が1.55μm波長組成の歪MQW構造となるInGaAsP/InP系のダブルヘテロ接合構造を積層させて半導体光増幅器126を形成するための積層構造を形成し、半導体光増幅器126を構成するための領域以外を除去したのち、除去部に波長組成がレーザ発振波長より短波長側に、例えば、1.30μmとなる光導波コア層を備えたダブルヘテロ接合構造を積層させ、次いで、レーザ側光導波路129を構成する領域の中間部の積層構造の一部を除去したのち、吸収層として波長組成が1.48μmのInGaAsP層からなる電界吸収型光変調器131を形成するためのpin構造を積層させ、次いで、「Ω」状にメサエッチングすることによって入出力側光導波路123、方向性結合器124、アーム125,127、レーザ側光導波路129、及び、電界吸収型光変調器131を形成したものである。
なお、回折格子130、即ち、DBR領域は、光導波用コア層を成長したのち、或いは、光導波用コア層の成長前に、光導波用コア層の近傍に周期的凹凸を形成して回折格子を形成し、その後、前述の所定の層構造を積層させて形成するものである。
【0151】
この様に、本発明の第16の実施の形態においては、サニャック型干渉計120の全体構成を半導体を用いてモノリシックに形成する際に、可変光減衰器となる電界吸収型光変調器131もモノリシックに組み込んでいるので、上記の第1乃至第11の実施の形態と同様に、電界吸収型光変調器131の減衰量によって共振器損失を任意の値に連続的に制御することができ、半導体光増幅装置の特性を各種の用途に応じて最適な値に設定することができる。
なお、動作原理及び主要な特徴点は、上記の第15の実施の形態と同様であり、光入力121は半導体光増幅器126で増幅されたのち光出力128として入出力側光導波路123から出力される。
【0152】
また、この第16の実施の形態においては、可変光減衰器として集積化が容易な電界吸収型光変調器131を用いているが、この場合にも可変光減衰器に特別な光吸収特性は要求されないので、他の構成の可変光減衰器、例えば、電流注入型の半導体光吸収素子等を用いても良いものである。
【0153】
以上、本発明の各実施の形態を説明してきたが、本発明は各実施の形態に記載した構成に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、半導体光増幅器を光長距離通信用ファイバにおける減衰が少ないように、その活性層を1.55μm波長組成としているが、1.3μm波長組成等の他の組成のものでも良く、その場合には、活性層の波長組成に応じて可変光減衰器における吸収端波長等の減衰特性、或いは、2×2型光合分岐器、サニャック型光干渉計、或いは、DBR領域等を構成する光導波用コア層の組成を変更すれば良い。
【0154】
さらには、本発明は、半導体光増幅器、可変光減衰器、光導波路、或いは、光カップラー等を半導体で構成する場合には、InGaAsP/InP系に限られるものではなく、GaAs/AlGaAs系等の他の化合物半導体を用いて形成しても良いものである。
【0155】
また、上記の第9乃至11の実施の形態における第8の実施の形態に対する変更点、即ち、ファイバ回折格子等の波長選択性を有する反射鏡を用いる点、可変光減衰器をモノリシックに集積化する点、及び、DBR領域をモノリシックに集積化する点は、上記の第7の実施の形態に対してもそのまま適用されるものである。
【0156】
また、上記の第7乃至11の実施の形態においては、入力側の2×2型光合分岐器の入力ポート側に可変光減衰器を設けているが、出力側の2×2型光合分岐器の出力ポート側に可変光減衰器を設けても良いものである。
【0157】
また、上記の第7乃至11の実施の形態の説明においては、レーザ発振光の不所望な吸収を防止するために、DBR領域或いは2×2型光合分岐器の光導波用コア層の波長組成を半導体光増幅器の活性層の波長組成より短波長側に設定しているが、半導体光増幅器と同じ構造としても良いものであり、その場合には、吸収損失を相殺するようにDBR領域或いは2×2型光合分岐器を順バイアスすれば良い。
【0158】
また、上記の第12乃至第14の実施の形態の説明においては、サニャック型光干渉計を用いた利得クランプ型半導体光増幅装置自体が新規なものであることを前提としているため、可変光減衰器を設けていないが、上記の第16の実施の形態と同様に、レーザ側光導波路の中間に可変光減衰器を設けても良いものであり、それによって、共振器損失を任意の値に連続的に制御して半導体光増幅装置の特性を各種の用途に応じて最適な値に設定することができる。
【0159】
また、可変光減衰器としては、市販の各種の可変光減衰器を用いるものであり、信号光として有効に利用される光入力は可変光減衰器を通過しないので可変光減衰器の減衰特性としては、レーザ発振波長、例えば、1.51μmの波長の光を減衰できるものであればどの様な構成の可変光減衰器を用いても良いものであり、この様な可変光減衰器をハイブリッド実装することによって、減衰量を任意に制御することができる。
【0160】
また、上記の第15及び16の実施の形態の説明においても、レーザ発振光の不所望な吸収を防止するために、入出力側光導波路、方向性結合器、アーム、レーザ側光導波路、及び、DBR領域の光導波用コア層の波長組成を半導体光増幅器の活性層の波長組成より短波長側に設定しているが、半導体光増幅器と同じ構造としても良いものであり、全体を同じ構成にすることによって、製造工程を大幅に簡素化することができる。
なお、その場合には、吸収損失を相殺するように各領域を順バイアスする必要がある。
【0161】
また、上記の第13乃至第16の実施の形態の説明においては、レーザ側光導波路に回折格子を設けて波長選択性を持たせているが、上記の第12の実施の形態と同様にレーザ側光導波路の端面に高反射膜を設けただけでも良く、或いは、誘電体或いは半導体の劈開面を利用しても良いものである。
【0162】
【発明の効果】
本発明によれば、利得と信号光の許容入射パワーの連続的な調整が可能となり、一つの構造によってアプリケーションの要求ごとに特性を最適化することのできる利得クランプ型半導体光増幅装置を実現することができ、波長多重光通信システムの実用化に寄与するところが大きい。
【0163】
また、サニャック型光干渉計を用いて利得クランプ型半導体光増幅装置を構成することによって、半導体光増幅器の対称動作特性が不要になるので、レーザ発振光と信号光とを確実に空間的に分離することができ、且つ、装置の全体構成をより小型化することができるので、この点からも波長多重光通信システムの実用化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理的構成の説明図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態の概念的構成図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態の概念的構成図である。
【図4】本発明の第3の実施の形態の概念的構成図である。
【図5】本発明の第4の実施の形態の概念的構成図である。
【図6】本発明の第5の実施の形態の概念的構成図である。
【図7】本発明の第6の実施の形態の概念的構成図である。
【図8】本発明の第7の実施の形態の概念的構成図である。
【図9】本発明の第8の実施の形態の概念的構成図である。
【図10】本発明の第9の実施の形態の概念的構成図である。
【図11】本発明の第10の実施の形態の概念的構成図である。
【図12】本発明の第11の実施の形態の概念的構成図である。
【図13】本発明の第12の実施の形態の概念的構成図である。
【図14】本発明の第13の実施の形態の概念的構成図である。
【図15】本発明の第14の実施の形態の概念的構成図である。
【図16】本発明の第15の実施の形態の概念的構成図である。
【図17】本発明の第16の実施の形態の概念的構成図である。
【図18】半導体光増幅装置の利得−光出力特性の共振器損失依存性の説明図である。
【符号の説明】
1 半導体光増幅装置
2 半導体光増幅器
3 可変光減衰器
4 波長選択性のある反射鏡
5 波長選択性のない反射鏡
6 ビームスプリッタ
7 信号光
11 光入力
12 光ファイバ
13 レンズ
14 ビームスプリッタ
15 レンズ
16 半導体光増幅器
17 レンズ
18 レンズ
19 光ファイバ
20 光出力
21 可変光減衰器
22 回折格子
23 ビームスプリッタ
24 レンズ
25 回折格子
26 ファイバ回折格子
27 レンズ
28 レンズ
29 ファイバ回折格子
30 モノリシック光半導体装置
31 半導体基板
32 半導体光増幅領域
33 可変光減衰領域
34 モノリシック光半導体装置
35 半導体基板
36 DBR領域
37 DBR領域
40 マッハツェンダー干渉器
41 光入力
42 集束光ファイバ
43 集束光ファイバ
44 光出力
45 半導体基板
46 方向性結合器
47 方向性結合器
48 半導体光増幅器
49 半導体光増幅器
50 高反射膜
51 レンズ対
52 可変光減衰器
53 高反射膜
60 マッハツェンダー干渉器
61 光入力
62 集束光ファイバ
63 集束光ファイバ
64 光出力
65 半導体基板
66 マルチモード干渉器
67 マルチモード干渉器
68 半導体光増幅器
69 半導体光増幅器
70 高反射膜
71 レンズ対
72 可変光減衰器
73 高反射膜
74 ファイバ回折格子
75 電界吸収型光変調器
76 ファイバ回折格子
77 DBR領域
78 DBR領域
79 可変光減衰器
80 サニャック型光干渉計
81 光入力
82 入出力側光導波路
83 方向性結合器
84 アーム
85 半導体光増幅器
86 アーム
87 光出力
88 レーザ側光導波路
89 高反射膜
90 回折格子
100 サニャック型光干渉計
101 光入力
102 PLC基板
103 入出力側光導波路
104 方向性結合器
105 アーム
106 半導体光増幅器
107 アーム
108 光出力
109 レーザ側光導波路
110 回折格子
120 サニャック型光干渉計
121 光入力
122 半導体基板
123 入出力側光導波路
124 方向性結合器
125 アーム
126 半導体光増幅器
127 アーム
128 光出力
129 レーザ側光導波路
130 回折格子
131 電界吸収型光変調器
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor optical amplifying device, and more particularly to a gain-clamped semiconductor optical amplifying device having a wide wavelength band characteristic of an allowable incident power adjustment mechanism used in a wavelength division multiplexing (WDM) communication system. .
[0002]
[Prior art]
In recent years, in response to a dramatic increase in communication demand, the introduction of a wavelength division multiplexing communication system in which a plurality of signal lights having different wavelengths are multiplexed and simultaneously transmitted through a single optical fiber has been studied. A wide wavelength band is required for the optical amplifier to be used.
[0003]
As such an optical amplifying device having a wide wavelength band, a semiconductor optical amplifying device is known. Since this semiconductor optical amplifying device is small in size and capable of operating with low power consumption, the optical amplifying device for a wavelength division multiplexing communication system is used. Promising as a device.
[0004]
In general, in an optical amplifying device, carriers are consumed in the process of amplifying signal light, so that the carrier decrease due to stimulated emission becomes significant when the power of the signal light increases, resulting in a phenomenon of gain saturation that lowers the gain. Will occur.
[0005]
In the above-described semiconductor optical amplifying device, since the carrier lifetime is as short as several hundred picoseconds, gain saturation can follow the fluctuations in the power of the signal light due to the modulation, so that gain modulation may occur and the signal light may be distorted. In a situation where a large number of signal lights are simultaneously amplified in the semiconductor optical amplifier, crosstalk may occur due to mutual gain modulation between the signal lights.
[0006]
In order to suppress such gain modulation, it is necessary to add a mechanism in which the carrier density is constant regardless of the power change of the signal light to the semiconductor optical amplifier, and the most powerful method is to use a laser oscillation mechanism. This method is introduced into a semiconductor optical amplifying device and utilizes the phenomenon that the carrier density is locked to the oscillation threshold carrier density.
[0007]
In this case, as long as the power of the signal light is smaller than the power of the laser oscillation light and the laser oscillation is continued, the gain of the semiconductor optical amplifier is clamped to be constant. In this gain clamp type semiconductor optical amplifying device, in order to make a traveling wave type optical amplifying device without resonating with respect to the signal light, the wavelength of the laser oscillation light is set apart from the wavelength of the signal light. It is widely used to use a reflecting mirror having a wavelength selectivity that provides a high reflectance only with respect to a certain wavelength.
[0008]
For example, a diffraction grating is used as an external reflecting mirror having wavelength selectivity (if necessary, see JC Simon et al, Electronics Letters, vol. 30, pp. 49-50, 1994), or fiber. The use of a grating (fiber diffraction grating) has been proposed (see L. Lablonde et al, ECOC '94, processeds, pp. 715-718, 1994, if necessary).
[0009]
Further, as an example of using an internal reflection mirror having wavelength selectivity, a monolithic DFB (distributed feedback) laser is used (if necessary, P. Dousier et al., International Semiconductor Laser Conference, processes, pp. 185-186). 1994) or using a DBR (distributed Bragg reflection) laser (if necessary, see LF Tiemeier et al, IEEE Photonics Technology Letters, pp. 284-286, 1995). .
[0010]
Further, as another method of constructing the gain clamp type semiconductor optical amplifying device, two two-to-two type so that the laser oscillation light and the signal light are spatially separated in a region other than the semiconductor optical amplification medium. A semiconductor optical amplifying medium is provided in both arms of an optical multiplexer / demultiplexer, that is, a Mach-Zehnder interferometer comprising a 2 × 2 type optical multiplexer / demultiplexer, and one of the input ports of the input side optical multiplexer / demultiplexer and its cross position It has also been proposed to configure a laser resonator by arranging a reflecting mirror made of a multilayer dielectric film at the output port of the output side optical multiplexer / demultiplexer in order to form a gain clamp type semiconductor optical amplifier (if necessary, Ch Holtsmann et al, ECOC '96, processeds, pp. 199-202, 1996).
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
In the gain clamp type semiconductor optical amplifying device as described above, the resonator loss is an important parameter for determining the gain and the allowable incident power of the signal light. This situation will be described with reference to FIG.
Refer to FIG.
FIG. 18A is a diagram showing the resonator loss dependence of the gain-optical output characteristics in the semiconductor optical amplifier, and the gain is ½ (= 10 log).Ten(2≈3.01≈3 dB) is also shown.
Amplifier1Shows a case of a normal semiconductor optical amplifier of the non-gain clamp type. As the optical output P increases, the gain G gradually decreases and the optical output Ps1However, in the gain clamped semiconductor optical amplifier, the gain is clamped to a constant value until the laser oscillation is stopped.
[0012]
Therefore, laser with large resonator loss2In this case, the gain is large because the oscillation threshold carrier density is large.2However, since the power of the laser oscillation light with respect to a certain injection current becomes small, the allowable incident power of the signal light becomes low.
On the other hand, laser with small resonator lossThreeIn this case, the gain is small because the oscillation threshold carrier density is small.Three(<G2However, since the power of the laser oscillation light for a certain injection current increases, the allowable incident power of the signal light increases.2→ LaserThreeThe gain is G2→ GThreeThe saturation light output power becomes PS2→ PS3Accordingly, the allowable input power of the signal light that can be appropriately amplified can be increased by reducing the resonator loss, and this situation will be described with reference to FIGS. 18B and 18C. I will explain.
[0013]
See FIGS. 18B and 18C.
18B and 18C show the laser2And laserThreeIs a diagram showing the optical output-current characteristics (LI characteristics) of the laser with a relatively large resonator loss2In the threshold current Ith-2LaserThreeThreshold current Ith-3The laser output becomes larger when the same current flows, so that the laser loss is relatively small.ThreeTherefore, the allowable input power of signal light that can be appropriately amplified can be increased.
[0014]
When such an allowable input power is used for various applications (applications) using a gain clamp type semiconductor optical amplifier having a resonator loss dependency, the characteristics of the gain clamp type semiconductor optical amplifier can be changed depending on the application. Although it is necessary to optimize, in order to optimize the characteristics, it is desirable that the above-described resonator loss can be arbitrarily controlled continuously.
[0015]
However, in the conventional monolithic type semiconductor optical amplifying device, the resonator loss is fixed, and therefore there is a problem that the resonator loss cannot be made variable according to the application.
[0016]
On the other hand, in an external resonator type semiconductor optical amplifier, although the resonator loss can be changed by replacing the diffraction grating and the fiber diffraction grating constituting the external resonator, these are continuously changed and optimized. This is difficult, and when modularized, there is a problem that the resonator loss is fixed as in the monolithic type.
[0017]
Accordingly, an object of the present invention is to continuously control the resonator loss of a gain clamp type semiconductor optical amplifier and to optimize the characteristics of the gain clamp type semiconductor optical amplifier according to the application.
[0018]
Another object of the present invention is to provide a gain-clamped semiconductor optical amplifying device having a simple structure and excellent separation characteristics between signal light and laser light and having high saturation light input / output characteristics.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
FIG. 1 is an explanatory view of the principle configuration of the present invention. Means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a conceptual configuration diagram of a semiconductor optical amplifier according to the present invention.
See Figure 1
(1) The present invention provides an effective transmission loss amount for a signal light 7 in a gain clamp type semiconductor optical amplifying apparatus 1 constituted by a semiconductor optical amplifier 2 and a laser resonator including the semiconductor optical amplifier 2 therein. Is characterized in that it has a variable optical attenuation mechanism that can control the amount of resonator loss with respect to laser oscillation light while maintaining a constant value.
[0020]
In this way, a variable optical attenuation mechanism, that is, a variable optical attenuation mechanism, in which the amount of resonator loss with respect to the laser oscillation light can be controlled while the effective transmission loss amount with respect to the signal light 7 is kept constant in the laser resonator. By providing the resonator 3, the resonator loss can be arbitrarily controlled continuously, whereby the characteristics of the gain clamp type semiconductor optical amplifier device 1 can be optimized according to the application.
In the present specification, “semiconductor optical amplifier” and “variable optical attenuator” mean a single “semiconductor optical amplifier” and “variable optical attenuator”, and an electrode or the like is provided in a predetermined semiconductor region. It also means a semiconductor optical amplification region or a variable optical attenuation region which is provided and has an optical amplification function or optical attenuation function.
[0021]
(2) Further, according to the present invention, in the above (1), at least one of the laser resonators is constituted by a reflecting mirror 4 having wavelength selectivity, and a variable optical attenuation mechanism is provided in the laser resonator as a variable optical attenuation mechanism. A device 3 is provided.
[0022]
In this way, at least one of the wavelength selective mirrors 4 constitutes a laser resonator to form a feedback mechanism only for the laser oscillation wavelength, thereby suppressing laser oscillation at the wavelength of the signal light 7. can do.
[0023]
(3) Further, the present invention is characterized in that, in the above (2), a portion where the signal light 7 does not pass is provided in the laser resonator, and the variable optical attenuator 3 is disposed in a portion where the signal light 7 does not pass. And
[0024]
In this manner, a portion where the signal light 7 does not pass is provided in the laser resonator, and the variable optical attenuator 3 is disposed in a portion where the signal light 7 does not pass, whereby the signal light 7 is attenuated by the variable optical attenuator 3. Therefore, the degree of freedom of the variable optical attenuator 3 that can be used can be increased.
[0025]
(4) Further, according to the present invention, in the above (3), the laser resonator has an external resonator structure composed of the reflecting mirror 4 having wavelength selectivity and the reflecting mirror 5 having no wavelength selectivity, so that the reflection having wavelength selectivity is achieved. A beam splitter 6 is inserted between the mirror 4 and the semiconductor optical amplifying device 1, and signal light 7 is incident from the direction perpendicular to the laser resonator via the beam splitter 6. A feature is that the signal light 7 does not pass between the beam splitter 6 and the beam splitter 6.
[0026]
By adopting such a configuration, the signal light 7 whose intensity is halved by the beam splitter 6 is incident on the semiconductor optical amplifier 2, so that even when the signal light 7 is large, gain saturation hardly occurs, and the signal light 7 The upper limit of the allowable incident power can be doubled.
[0027]
(5) Further, according to the present invention, in the above (3), the laser resonator has an external resonator structure composed of a reflective mirror 4 having wavelength selectivity and a reflective mirror 5 having no wavelength selectivity, and reflection having wavelength selectivity. A beam splitter 6 is inserted between the mirror 4 and the semiconductor optical amplifier 1, and signal light 7 is emitted from the direction perpendicular to the laser resonator via the beam splitter 6, so that the reflecting mirror 4 having wavelength selectivity is provided. A feature is that the signal light 7 does not pass between the beam splitter 6 and the beam splitter 6.
[0028]
By adopting such a configuration, the signal light 7 is incident on the semiconductor optical amplifier 2 without loss on the entrance side, so that an appropriate amplified signal can be obtained even when the signal light 7 is weak, The lower limit of the incident power can be halved.
[0029]
(6) Further, according to the present invention, in the above (3), the laser resonator has an external resonator structure including a pair of wavelength-selective reflecting mirrors 4 and both the semiconductor optical amplifier 2 and the wavelength-selective reflections. Each of the beam splitters 6 is inserted between the mirror 4 and the signal light 7 is input / exited from the direction perpendicular to the laser resonator via the beam splitter 6. 6 is characterized in that the signal light 7 does not pass through the two regions between the two.
[0030]
By adopting such a configuration, although the loss of the signal light 7 is increased, it is not necessary to use the incident / exit end face of the optical fiber as a part of the reflecting mirror. Return light of the signal light 7 due to reflection can be prevented.
[0031]
(7) Further, according to the present invention, in the above (2), the variable optical attenuator 3 changes the optical attenuation with respect to the laser oscillation wavelength without providing a portion where the signal light 7 does not pass in the laser resonator. However, the variable optical attenuator 3 that does not effectively attenuate the signal light 7 is disposed.
[0032]
Thus, by not providing a portion through which the signal light 7 does not pass in the laser resonator, loss due to the beam splitter 6 is eliminated, so that the signal light 7 can be used efficiently and the number of parts can be reduced. However, since the signal light 7 passes through the variable optical attenuator 3, it is necessary to consider the attenuation characteristics of the variable optical attenuator 3 so that the signal light 7 is not effectively attenuated.
In the present application, “the signal light 7 is not effectively attenuated” means that attenuation is not intended to occur, and even if there is unavoidable attenuation, it is not regarded as attenuated. .
[0033]
(8) Further, according to the present invention, in the above (7), the laser oscillation wavelength is set shorter than the wavelength of the signal light 7 by the reflection mirror 4 having wavelength selectivity, and the laser oscillation is performed as the variable optical attenuator 3. An electroabsorption optical modulator having an absorption edge wavelength on the shorter wavelength side than the wavelength is used.
[0034]
As described above, as the variable optical attenuator 3 that does not effectively attenuate the signal light 7 and selectively attenuates only the laser oscillation light, the electroabsorption having an absorption edge wavelength shorter than the laser oscillation wavelength. A type optical modulator is preferred.
[0035]
(9) Further, the present invention is characterized in that, in the above (8), the semiconductor optical amplifier 2 and the variable optical attenuator 3 composed of an electroabsorption optical modulator are monolithically integrated.
[0036]
Since the electroabsorption optical modulator can be formed with a pin structure using a semiconductor, it is suitable for monolithic integration, and the semiconductor optical amplifier 2 and the variable optical attenuator 3 are aligned by monolithic integration. In addition, since the lens is not necessary, the number of parts can be reduced and the entire apparatus can be downsized.
[0037]
(10) Further, the present invention is characterized in that, in any one of the above (7) to (9), a fiber grating is used as the reflective mirror 4 having wavelength selectivity.
[0038]
As described above, when a portion through which the signal light 7 does not pass is not provided in the laser resonator, a wavelength grating can be obtained by using a fiber grating, that is, a fiber diffraction grating, as the wavelength-selective reflecting mirror 4. The laser resonator structure can be simplified.
[0039]
  (11) Further, in the above (9), the present invention uses a distributed Bragg reflector as the wavelength-selective reflecting mirror 4, and this distributionBraggThe reflector is monolithically integrated with a variable optical attenuator comprising a semiconductor optical amplifier 2 and an electroabsorption optical modulator.
[0040]
As described above, when a distributed Bragg reflector (DBR) is used as the wavelength-selective reflecting mirror 4, the distributed Gragg reflector is replaced with a variable optical attenuator comprising the semiconductor optical amplifier 2 and the electroabsorption optical modulator. By monolithically integrating the device 3, the main components of the device can be formed only by the semiconductor manufacturing process.
[0041]
(12) Further, according to the present invention, in the above (1), the semiconductor optical amplifier 2 is provided on two arms of a Mach-Zehnder interferometer including two 2 × 2 type optical couplers, and a laser resonator is provided on the input side. A variable optical attenuator as a variable optical attenuating mechanism is composed of one of the input ports of the optical multiplexer / demultiplexer and a reflecting mirror arranged at the output port of the optical multiplexer / demultiplexer on the output side in the cross position with respect to the input port. It is provided between the optical combiner / branch and the reflecting mirror in the laser resonator.
[0042]
In this way, by using a Mach-Zehnder interferometer consisting of two 2 × 2 type optical multiplexers / demultiplexers, it is possible to amplify without loss of signal light due to the use of a beam splitter or the like, and the device configuration is simplified. In addition, since the laser oscillation light and the signal light are spatially separated in the region other than the semiconductor optical amplifier, the resonance of the signal light occurs in the laser resonator without providing the laser resonator with wavelength selectivity. There is nothing.
[0043]
(13) Further, in the above (12), the present invention is characterized in that a directional coupler is used as the 2 × 2 type optical multiplexer / demultiplexer.
[0044]
In this way, the Mach-Zehnder interferometer can be made compact by using a directional coupler as the 2 × 2 type optical multiplexer / demultiplexer.
[0045]
(14) Further, the present invention is characterized in that, in the above (12), a multi-mode interferometer is used as the 2 × 2 type optical multiplexer / demultiplexer.
[0046]
In this way, by using a multi-mode coupler as the 2 × 2 type optical multiplexer / demultiplexer, manufacturing tolerance can be improved as compared with the case of using a directional coupler as the 2 × 2 type optical multiplexer / demultiplexer.
[0047]
(15) Further, the present invention is characterized in that, in the above (12) to (14), at least one of the reflecting mirrors is constituted by a reflecting mirror having wavelength selectivity.
[0048]
In this way, by configuring at least one of the reflecting mirrors constituting the laser resonator with a wavelength-selective reflecting mirror, the laser oscillation wavelength is stabilized, and the difference between the wavelength of the signal light and the laser oscillation wavelength is reduced. Amplified signal light that can be maintained stably, thereby preventing non-linear effects due to undesired interaction between the signal light and the laser light, for example, phase conjugate waves due to four-wave mixing, etc. Can only be output from the output port.
[0049]
(16) Further, the present invention is characterized in that, in the above (12) to (15), an electroabsorption optical modulator is used as the variable optical attenuator.
[0050]
As described above, when the Mach-Zehnder interferometer is used, the signal light does not pass through the variable optical attenuator. Therefore, it is not always necessary to use the electroabsorption optical modulator as the variable optical attenuator. An optical modulator may be used. In particular, in the case of monolithic integration, it is preferable to use an electroabsorption optical modulator that can be formed by a pin structure.
[0051]
(17) In the present invention, in the above (12) to (16), the semiconductor optical amplifier, the two 2 × 2 type optical multiplexer / demultiplexers, the variable optical attenuator 3 and the reflecting mirror are monolithically integrated. It is characterized by.
[0052]
In this way, the overall configuration is reduced by monolithically integrating the semiconductor optical amplifier 2, two 2 × 2 type optical couplers, variable optical attenuators, and reflecting mirrors, and the 2 × 2 type optical coupler is integrated. A lens system between the branching device and the variable optical attenuator becomes unnecessary.
[0053]
  (18) Further, according to the present invention, in the gain clamp type semiconductor optical amplifying apparatus 1 constituted by the semiconductor optical amplifier 2 and the laser resonator including the semiconductor optical amplifier 2 inside, the semiconductor optical amplifier 2 is replaced with the Sagnac type light. A laser resonator is configured by arranging a reflecting mirror on the optical waveguide connected to one input / output port of this Sagnac type optical interferometer.And the variable optical attenuator 3 is disposed in the optical waveguide.The optical waveguide connected to the other input / output port is an input / output optical waveguide for the signal light 7.
[0054]
  As described above, when a Sagnac type optical interferometer is used, only one semiconductor optical amplifier 2 is required. Therefore, the gain clamp type semiconductor optical amplifier 1 having a symmetrical structure using a pair of semiconductor optical amplifiers 2 is used. In comparison, since the requirement for the symmetrical operation required for the semiconductor optical amplifier 2 is not required, the possibility of mixing the laser oscillation light and the signal light 7 is further reduced, and a stable optical amplification operation becomes possible.
  Further, by disposing the variable optical attenuator 3 in the optical waveguide constituting the laser resonator, the resonator loss can be controlled continuously and arbitrarily, thereby the gain clamp type semiconductor optical amplifier 1. The characteristics can be optimized according to the application.
[0055]
(19) Further, in the above (18), the present invention is characterized in that a reflecting mirror having wavelength selectivity is used as the reflecting mirror.
[0056]
When a Sagnac type optical interferometer is used, the laser oscillation light and the signal light 7 are spatially separated, so that the resonance of the signal light 7 in the laser resonator can be achieved without providing the laser resonator with wavelength selectivity. However, in order to stabilize the laser oscillation wavelength and stably maintain the difference between the wavelength of the signal light 7 and the laser oscillation wavelength, a reflection mirror having wavelength selectivity should be used as the reflection mirror. As a result, non-linear effects due to undesired interaction between the signal light 7 and the laser light, such as a phase conjugate wave due to four-wave mixing, do not occur, and only the amplified signal light 7 is input / output. Can be output from the other input / output port connected to the optical waveguide.
[0057]
(20) Further, in the above (18) or (19), the present invention is characterized in that in the Sagnac type optical interferometer, the optical waveguide portion and the optical coupler portion other than the semiconductor optical amplifier 2 are constituted by optical fibers. .
[0058]
In this way, by configuring the optical waveguide portion and the optical coupler portion other than the semiconductor optical amplifier 2 in the Sagnac type optical interferometer with optical fibers, a gain clamp type semiconductor optical amplifying device is required without requiring a special fine processing technique. 1 can be configured easily.
[0059]
(21) Further, according to the present invention, in the above (18) or (19), the optical waveguide portion and the optical coupler portion other than the semiconductor optical amplifier 2 in the Sagnac type optical interferometer are configured by a planar dielectric optical circuit. It is characterized by.
[0060]
In this manner, in the Sagnac type optical interferometer, the optical waveguide portion and the optical coupler portion other than the semiconductor optical amplifier 2 are constituted by a planar dielectric optical circuit (PLC), thereby making it possible to obtain a gain clamp type than when an optical fiber is used. The semiconductor optical amplifier 1 can be downsized.
[0061]
(22) Further, in the present invention, in the above (18) or (19), the optical waveguide, the optical coupler portion, the arm, and the semiconductor optical amplifier 2 constituting the Sagnac type optical interferometer are monolithically integrated with a semiconductor. It is characterized by that.
[0062]
Thus, the gain clamp type semiconductor optical amplifier 1 can be made smaller by monolithically integrating the optical waveguide, the optical coupler portion, the arm, and the semiconductor optical amplifier 2 constituting the Sagnac type optical interferometer with a semiconductor. In addition, since the hybrid mounting of the semiconductor optical amplifier 2 is not necessary, problems associated with accuracy such as optical axis alignment between the semiconductor optical amplifier 2 and the arm are solved.
[0063]
(23) Further, in the above (22), the present invention is characterized in that the optical waveguide, the optical coupler portion, and the arm constituting the Sagnac type optical interferometer are also used as the semiconductor optical amplification region.
[0064]
As described above, the optical waveguide, the optical coupler portion, and the arm constituting the Sagnac type optical interferometer are also used as the semiconductor optical amplification region, so that the laser oscillation light and the signal light 7 in the optical waveguide, the optical coupler portion, and the arm 7 are obtained. Can be prevented, and the manufacturing process is greatly simplified.
[0067]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Here, the first to sixth embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 7. First, the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. .
See Figure 2
FIG. 2 is a conceptual configuration diagram of the gain-clamped semiconductor optical amplifier according to the first embodiment of the present invention. The optical fiber 12 and the optical fiber 12 for inputting the optical input 11 as signal light are shown in FIG. A lens 13 that converts the light input 11 into a parallel light beam; a beam splitter 14 that transmits half of the converted light input 11 and reflects the remaining half; a lens 15 that focuses the reflected light input 11; A semiconductor optical amplifier 16 for amplifying the focused optical input 11; a pair of lenses 17 and 18 for converging and guiding the optical input 11 amplified by the semiconductor optical amplifier 16 and spread and emitted to the optical fiber 19, and The optical fiber 19 constitutes an optical amplification system for signal light, and the amplified signal light is emitted from the optical fiber 19 as an optical output 20.
[0068]
The gain-clamped semiconductor optical amplifying device includes a variable optical attenuator 21 and a diffraction grating 22. The gain-clamped semiconductor optical amplifying device has a cleaved end face formed by cleaving the incident side of the diffraction grating 22 and the optical fiber 19. A laser resonator having wavelength selectivity is configured, and a variable optical attenuator 21 is disposed in a portion where the signal light between the beam splitter 14 and the diffraction grating 22 does not pass to control the resonator loss of the laser resonator. .
[0069]
In this case, the “part where the signal light does not pass” means a region where the optical input 11 that is effectively used as the signal light does not pass. The optical input 11 is reflected by the cleavage end face of the optical fiber 19. Although passing through the variable optical attenuator 21 and reaching the diffraction grating 22, the diffraction grating 22 has wavelength selectivity, so that the reflected light input 11 does not travel again to the semiconductor optical amplifier side as signal light. Therefore, such a region where the optical input 11 that is effectively used as signal light does not pass is defined as “a portion where the signal light does not pass”.
[0070]
In this case, the semiconductor optical amplifier 16 uses a non-reflective coating (AR coating) made of a multilayer dielectric film so that no reflection occurs at the input / output end face, and is perpendicular to the optical axis of the active layer. It is desirable that the cross-sectional shape is a square or a gain MQW (multiple quantum well) structure having a tensile strain is used so that polarization does not depend on the gain.
[0071]
Further, this semiconductor optical amplifier 16 has an oscillation wavelength of 1.5 μm band (1.5 to 1. .5) by considering the material and structure of the active layer from the viewpoint of attenuation characteristics in an optical fiber used for long-distance optical communication. 6 μm), and the inclination of the diffraction grating 22 with respect to the optical axis is controlled so as to form a laser resonator only for a set oscillation wavelength of 1.5 μm band.
[0072]
As the variable optical attenuator 21, various commercially available variable optical attenuators are used. Since the optical input 11 that is effectively used as signal light does not pass through the variable optical attenuator 21, the variable optical attenuator 21 is used. As the attenuation characteristic, a variable optical attenuator having any configuration may be used as long as it can attenuate light having a laser oscillation wavelength, for example, a wavelength of 1.51 μm, and the attenuation amount is arbitrarily controlled. To do.
[0073]
In the first embodiment, the signal light is attenuated by ½ by the beam splitter 14 before being amplified by the semiconductor amplifier 16 and is incident on the semiconductor amplifier 16, so that the system as viewed from the optical fiber 12 is effective. The saturation input power is increased, and the upper limit of the allowable incident power of the optical input 11 as the signal light at the stage of entering the optical fiber 12 can be doubled.
Therefore, this configuration is suitable when the power of the signal light is large.
[0074]
Further, since the external resonator constituted by the diffraction grating 22 and the cleaved end face of the optical fiber 19 has a wavelength dependency depending on the tilt angle of the diffraction grating 22, the material and structure of the active layer of the semiconductor optical amplifier 16 are used. Since it acts as a laser resonator only for the wavelength specified by, and does not cause laser oscillation at the wavelength of the signal light, it is possible to lock the carrier density to the oscillation threshold carrier density determined by the resonator loss. So that the gain can be clamped to a predetermined value.
[0075]
Further, in the first embodiment, since the variable optical attenuator 21 is provided in the external resonator, the resonator loss is continuously controlled to an arbitrary value by the attenuation amount of the variable optical attenuator 21. Thereby, the characteristics of the semiconductor optical amplifier can be set to optimum values according to various applications.
[0076]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3. In the second embodiment, the input side and the output side of the first embodiment are reversed. The other configurations are the same as those in the first embodiment.
See Figure 3
FIG. 3 is a conceptual configuration diagram of a gain-clamped semiconductor optical amplifier device according to the second embodiment of the present invention, in which an optical input 11 that is signal light parallel to the optical axis of the semiconductor optical amplifier 16 is incident. Optical fiber 19, a pair of lenses 18 and 17 for converging the optical input 11 from the optical fiber 19, a semiconductor optical amplifier 16 for amplifying the converged optical input 11, and amplifying and spreading out in the semiconductor optical amplifier 16. A lens 15 that converts the converted light input 11 into a parallel light beam, a beam splitter 14 that transmits half of the converted light input 11 and reflects the remaining half in the vertical direction, and a reflected light input 11 The lens 13 that converges and guides to the optical fiber 12 and the optical fiber 12 constitute an amplification system for signal light, and the amplified signal light is emitted from the optical fiber 12 as an optical output 20.
[0077]
This gain clamp type semiconductor optical amplifying device also includes a variable optical attenuator 21 and a diffraction grating 22, and is connected to the semiconductor optical amplifier 16 by a cleavage end face formed by cleaving the emission side of the diffraction grating 22 and the optical fiber 19. A laser resonator having wavelength selectivity is configured, and a variable optical attenuator 21 is disposed in a portion where the signal light between the beam splitter 14 and the diffraction grating 22 does not pass to control the resonator loss of the laser resonator. .
[0078]
In this case, a half of the amplified light input 11 also passes through the region between the beam splitter 14 and the diffraction grating 22. However, since the diffraction grating 22 has wavelength selectivity, this amplified 1 Since the / 2 optical input 11 is reflected and is not effectively used again as signal light, in this second embodiment as well, the region between the beam splitter 14 and the diffraction grating 22 is referred to as “signal light. It is defined as “the part that does not pass”.
[0079]
In the second embodiment, since the signal light is amplified by the semiconductor amplifier 16 and then attenuated to 1/2 by the beam splitter 14, the allowable incident power of the optical input 11 cannot be increased. Since the signal is amplified before being attenuated to 2, it can be appropriately amplified even when the optical input 11 as signal light is weak.
[0080]
Also in the second embodiment, since the variable optical attenuator 21 is provided in the external resonator, the resonator loss is continuously controlled to an arbitrary value by the attenuation amount of the variable optical attenuator 21. The characteristics of the semiconductor optical amplifying device can be set to optimum values according to various applications.
[0081]
Also in this case, since the variable optical attenuator 21 is disposed in a portion where the signal light between the beam splitter 14 and the diffraction grating 22 does not pass, the degree of freedom of attenuation characteristics of the variable optical attenuator 21 that can be used. Can be increased.
[0082]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4. In the third embodiment, the light input 11 is incident through the beam splitter 14 and the light output 20 is input. Is taken out via the beam splitter 23, and the other configuration is exactly the same as in the first embodiment.
See Figure 4
FIG. 4 is a conceptual configuration diagram of a gain-clamped semiconductor optical amplifier device according to a third embodiment of the present invention. The optical fiber 12 and the optical fiber 12 for inputting an optical input 11 as signal light are shown in FIG. A lens 13 that converts the light input 11 into a parallel light beam; a beam splitter 14 that transmits half of the converted light input 11 and reflects the remaining half; a lens 15 that focuses the reflected light input 11; A semiconductor optical amplifier 16 that amplifies the focused optical input 11, a lens 17 that converts the optical input 11 that has been amplified and emitted from the semiconductor optical amplifier 16 into a parallel beam, and 1 / of the converted optical input 11. 2, the remaining half of the beam splitter 23, a pair of lenses 24 that focuses the reflected light input 11 and guides it to the optical fiber 19, and the optical fiber 19 increases the signal light. System is configured, the signal light amplified is emitted as the light output 20 from the optical fiber 19.
[0083]
In the third embodiment, a pair of diffraction gratings 22 and 25 and a variable optical attenuator 21 are provided, and the pair of diffraction gratings 22 and 25 constitute an external resonator having wavelength selectivity. The variable optical attenuator 21 is disposed in the portion where the signal light between the beam splitter 23 and the diffraction grating 22 does not pass, and the resonator loss of the laser resonator can be controlled arbitrarily and continuously according to the application.
[0084]
Further, half of the signal light before and after amplification is lost in the beam splitters 14 and 23, and thus the loss increases. However, since the optical fiber 12 or the optical fiber 19 is not used as a component of the external resonator, the input / output It is not necessary to make the input end surface or the output end surface of the optical fiber 12 and the optical fiber 19 that are ends into a cleaved end surface, and therefore, a non-reflecting surface or a low-reflecting surface can be provided, so that reflection loss at the input / output ends is reduced. .
[0085]
Also in the third embodiment, since the variable optical attenuator 21 is disposed in a portion where the signal light between the beam splitter 23 and the diffraction grating 22 does not pass, the variable optical attenuator 21 that can be used is used. The degree of freedom of the damping characteristic can be increased.
The variable optical attenuator 21 may be disposed in a portion where the signal light between the opposite beam splitter 14 and the diffraction grating 25 does not pass.
[0086]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 5. In this fourth embodiment, signal light is input and output without using a beam splitter. In the laser resonator, there is no portion where the signal light does not pass.
See Figure 5
FIG. 5 is a conceptual configuration diagram of a gain-clamped semiconductor optical amplifier according to a fourth embodiment of the present invention, in which an optical input 11 that is signal light is incident and an external resonator is provided on the output end side. A fiber grating provided with a diffraction grating for constituting, that is, a fiber diffraction grating 26, a pair of lenses 13 and 15 for focusing the light input 11 from the fiber diffraction grating 26, and transmitting the focused light input 11 without attenuation. In addition, a variable optical attenuator 21 for arbitrarily attenuating laser oscillation light, a pair of lenses 18 and 17 for converging the light input 11 transmitted through the variable optical attenuator 21, and a semiconductor light for amplifying the converged light input 11 The optical input 11 that has been amplified by the amplifier 16 and the semiconductor optical amplifier 16 and spread and emitted is focused and guided to a fiber diffraction grating 29 provided with a diffraction grating for forming an external resonator on the incident end side. A pair of lenses 27, 28 and, is constituted by the fiber grating 29, the signal light amplified is emitted from the fiber grating 29 as an optical output 20.
[0087]
The external resonator in this case is configured between a pair of fiber diffraction gratings 26 and 29 which are provided with a refractive index distribution on the incident end face side or the outgoing end face side to form a diffraction grating, and uses a normal diffraction grating. However, since the wavelength dependence of the external resonator is determined by the period of the diffraction grating provided in the fiber diffraction gratings 26 and 29, it is fixed unless the fiber diffraction gratings 26 and 29 are replaced. Will be.
However, there is usually no problem because the laser oscillation wavelength of the semiconductor optical amplifier 16 is determined at the time of element design.
Note that one of the fiber diffraction gratings 26 and 29 may be replaced with a normal optical fiber whose end face is cleaved, and a combination of a fiber diffraction grating and a normal optical fiber may be used.
[0088]
In this case, since the variable optical attenuator 21 is provided in the portion through which the signal light passes, the attenuation characteristic of the variable optical attenuator 21 is accurately set so that the signal light is not attenuated in the variable optical attenuator 21. There is a need to.
For example, a pin structure electroabsorption optical modulator is used as such a variable optical attenuator 21, the absorption edge wavelength of the electroabsorption optical modulator is shorter than the laser oscillation wavelength, and an electric field is applied. In this case, it is necessary to accurately set the absorption edge wavelength to move to the long wavelength side so that the laser oscillation light is absorbed, and the wavelength of the signal light is not absorbed even by the application of an electric field. It is necessary to set the longer wavelength side.
[0089]
The configuration of the semiconductor optical amplifier 16 used in the fourth embodiment is exactly the same as that in the first embodiment, and is formed of a multilayer dielectric film so that no reflection occurs at the end face. Polarized to gain by using a non-reflective coating and making the cross section perpendicular to the optical axis of the active layer square or using a strained MQW (multiple quantum well) structure with tensile strain It is desirable to configure so that no dependency occurs. Furthermore, from the viewpoint of attenuation characteristics in an optical fiber used for long-distance optical communication, a gain wavelength of 1.5 μm band is considered by considering the material and structure of the active layer. It is desirable to set so that
[0090]
As described above, since the beam splitter is not used in the fourth embodiment, the light loss due to the beam splitter, that is, the transmitted light loss can be eliminated, and the ordinary diffraction grating is not used. The entire configuration of the apparatus is simplified and miniaturized, and the incident / exit end faces of the fiber diffraction gratings 26 and 29 do not constitute an external resonator, and therefore do not need to be cleaved end faces. It is possible to prevent signal signal reflection loss and undesired return light by providing a function and making the incident / exit end face non-reflective or low-reflective.
[0091]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 6. In the fifth embodiment, a semiconductor optical amplifier and a variable optical attenuator are monolithically integrated. Other configurations are the same as those in the fourth embodiment.
See FIG.
FIG. 6 is a conceptual configuration diagram of a gain-clamped semiconductor optical amplifier device according to a fifth embodiment of the present invention, in which an optical input 11 that is signal light is incident and an external resonator is provided on the output end side. A fiber diffraction grating 26 provided with a diffraction grating for constituting, a pair of lenses 13 and 15 for converging the light input 11 from the fiber diffraction grating 26, the focused light input 11 transmitted without being attenuated, and a laser A variable optical attenuator that arbitrarily attenuates oscillation light, that is, a variable optical attenuation region 33, and a semiconductor optical amplifier that amplifies the optical input 11, that is, a semiconductor optical amplification region 32, are monolithically integrated on the semiconductor substrate 31. A monolithic optical semiconductor device 30 and a fiber optic provided with a diffraction grating for converging the light input 11 amplified and emitted from the semiconductor optical amplification region 32 to form an external resonator on the incident end side. A pair of lenses 17 and 18 leading to lattice 29 and, is constituted by the fiber grating 29, the signal light amplified is emitted from the fiber grating 29 as an optical output 20.
In this case as well, one of the fiber diffraction gratings 26 and 29 may be replaced with a normal optical fiber whose end face is cleaved, and a combination of a fiber diffraction grating and a normal optical fiber may be used.
[0092]
In this case, the monolithic optical semiconductor device 30 includes, for example, an InGaAsP / InP double heterojunction structure formed on a semiconductor substrate 31 made of n-type InP by a normal epitaxial growth method, and one region serves as a semiconductor optical amplification region 32. The other region is a variable light attenuation region 33 made of an electroabsorption optical modulator having a pin structure.
[0093]
For example, the period of the optical fiber diffraction gratings 26 and 29 is set so that the laser oscillation wavelength in the semiconductor optical amplifying region 32 is, for example, 1.51 μm, and the gain of the active layer is eliminated in order to eliminate the polarization dependence of the gain. The cross-sectional shape perpendicular to the optical axis is a square or a strained MQW (multiple quantum well) structure having a tensile strain.
[0094]
On the other hand, in order to prevent the attenuation of the signal light in the variable light attenuation region 33 and the attenuation of the laser oscillation light when no electric field is applied, for example, the composition of the InGaAsP light absorption layer is 1.48 μm. As described above, the variable optical attenuation region 33 may be formed by regrowth in a portion from which a part of the semiconductor optical amplification region 32 is removed, so that the attenuation characteristic of the variable optical attenuation region can be accurately determined at the element design stage. .
Also in this case, a non-reflective coating made of a multilayer dielectric film is applied so that reflection does not occur on the incident / exit end face of the monolithic optical semiconductor device 30.
[0095]
As described above, since the beam splitter is not used in the fifth embodiment, the optical loss due to the beam splitter can be eliminated, and the semiconductor optical amplifier and the variable optical attenuator are monolithically integrated. Therefore, the variable optical attenuator can be reduced in size, and further, since a pair of lenses provided between the semiconductor optical amplifier and the variable optical attenuator is not required, the overall configuration of the apparatus can be simplified and reduced in size. it can.
[0096]
Also in this case, since the incident / exit end faces of the fiber diffraction gratings 26 and 29 do not constitute an external resonator, they do not need to be cleaved end faces. Therefore, by making the incident / exit end faces non-reflective or low-reflective. It is possible to prevent reflection loss of signal light and unwanted return light.
[0097]
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 7. In this sixth embodiment, a reflection that constitutes a laser resonator with respect to a semiconductor optical amplifier and a variable optical attenuator. The mirror is monolithically integrated as a DBR (distributed Bragg reflector) region.
See FIG.
FIG. 7 is a conceptual configuration diagram of a gain-clamped semiconductor optical amplifier device according to a sixth embodiment of the present invention, and an optical fiber 12 that receives an optical input 11 that is signal light, and an optical input from the optical fiber 12. A pair of lenses 13 and 15 for focusing 11, a variable light attenuation region 33 for transmitting the focused light input 11 without being attenuated, and arbitrarily attenuating laser oscillation light, and semiconductor light for amplifying the light input 11 A monolithic optical semiconductor device 34 in which amplifying region 32 is integrated monolithically on semiconductor substrate 35 and a pair of DBR regions 36 and 37 for forming a laser resonator are integrated on the input / output end face side, semiconductor light An optical fiber provided with a diffraction grating for converging the light input 11 amplified in the amplification region 32 and emitted from the DBR region 37 to form an external resonator on the incident end side A pair of lenses 17 and 18 leading to 9 and is constituted by an optical fiber 19, the signal light amplified is emitted as the light output 20 from the optical fiber 19.
[0098]
In this case, the monolithic optical semiconductor device 34 has, for example, an InGaAsP / InP double heterojunction structure formed on a semiconductor substrate 31 made of n-type InP by a normal epitaxial growth method, and one region is used as a semiconductor optical amplification region 32. The other region is a variable optical attenuation region 33 made of an electro-absorption optical modulator having a pin structure, and is provided with periodic irregularities on both side surfaces to form diffraction gratings to form DBR regions 36 and 37. .
[0099]
The laser oscillation wavelength in the semiconductor optical amplification region 32 is set to be, for example, 1.51 μm, and the period of the diffraction gratings of the DBR regions 36 and 37 is set. The cross-sectional shape perpendicular to the optical axis is square or has a strained MQW (multiple quantum well) structure with tensile strain, prevents attenuation of signal light in the variable optical attenuation region 33, and applies an electric field. In order to prevent the attenuation of the laser oscillation light in the case where it is not performed, it is desirable to set the composition of the InGaAsP light absorption layer constituting the variable light attenuation region 33 to be 1.48 μm.
[0100]
On the other hand, the composition of the optical waveguide core layer of the DBR regions 36 and 37 is set to a wavelength shorter than the laser oscillation wavelength, for example, 1.30 μm so that the DBR regions 36 and 37 do not absorb laser oscillation light. Thus, periodic irregularities may be formed in the vicinity of the optical waveguide core layer.
[0101]
Thus, since the beam splitter is not used in the sixth embodiment, the optical loss due to the beam splitter can be eliminated, and the semiconductor optical amplifier 16, the variable optical attenuator 21, and the DBR region 36, 37 is monolithically integrated, the overall configuration of the device including the laser resonator structure can be simplified and reduced in size.
[0102]
In this case, since the laser resonator is composed of a pair of DBR regions 36 and 37, it is not necessary to form an external resonator using a fiber diffraction grating or the like. Ordinary optical fibers 12 and 19 may be used, and reflection and loss of signal light and undesired return light can be prevented by making the input and output end faces of the optical fibers 12 and 19 non-reflective or low reflective. .
[0103]
Next, with reference to FIG. 8 to FIG. 12, gain clamp type semiconductor optical amplifiers using Mach-Zehnder interferometers according to seventh to eleventh embodiments of the present invention will be described.
See FIG.
FIG. 8 is a conceptual configuration diagram of a gain-clamped semiconductor optical amplifier device according to a seventh embodiment of the present invention. A Mach-Zehnder interferometer 40 serving as a basic component of the gain-clamped semiconductor optical amplifier device is A pair of arms between the two directional couplers 46 and 47, using the two directional couplers 46 and 47 formed on the semiconductor substrate 45 as two 2 × 2 (2 to 2) type optical couplers. Both are provided with semiconductor optical amplifiers 48 and 49, and light input as signal light input to one input port of the preceding directional coupler 46 from the focusing optical fiber 42 provided with a lens at the tip. 41 is branched in half at the coupling portion of the directional coupler 46 and amplified by the semiconductor optical amplifiers 48 and 49, and then coupled at the coupling portion of the directional coupler 47 in the subsequent stage. Input It is output as the light output 44 from the output port of the over preparative and cross (Cross) position via a focusing optical fiber 43.
[0104]
On the other hand, the laser resonator was provided on the outer end face of the highly reflective film 50 made of a multilayer dielectric film provided on the cleaved end face of the other output port of the directional coupler 47 in the subsequent stage and the variable optical attenuator 52. The variable optical attenuator 52 is inserted into the laser resonator via the lens pair 51, and the variable optical attenuator 52 can continuously and continuously reduce the resonator loss. Can be controlled.
[0105]
In this case, the Mach-Zehnder interferometer 40 includes, for example, an InGaAsP / InP double heterojunction structure in which an active layer has a strained MQW structure having a wavelength composition of 1.55 μm on a semiconductor substrate 45 made of n-type InP. After forming the laminated structure for forming the semiconductor optical amplifiers 48 and 49 and removing the region other than the region for forming the semiconductor optical amplifiers 48 and 49, the optical component whose wavelength composition becomes 1.30 μm, for example, in the removal portion A semiconductor optical amplifier sandwiched between two 2 × 2 type directional couplers 46 and 47 by laminating a double heterojunction structure having a wave core layer and performing mesa etching into a shape as shown in the figure 48 and 49 are formed.
[0106]
In the seventh embodiment, since the laser oscillation light and the signal light are spatially separated in the region other than the amplification region, it is not necessary to give the laser resonator wavelength dependency, and a normal cleavage plane is used. The reflector can be made up of a high-reflectivity multilayer dielectric film or the like provided on itself or the cleavage plane, simplifying the resonator structure, and the oscillation threshold value where the carrier density is determined by the resonator loss It can be locked to the carrier density so that the gain can be clamped to a predetermined value.
[0107]
Further, since the variable optical attenuator 52 is provided in a portion through which signal light does not pass, the variable optical attenuator 52 can be used because it is sufficient to consider only the attenuation characteristic with respect to the laser oscillation light. The degree of freedom of 52 becomes large, and various commercially available optical attenuators can be used.
[0108]
In the seventh embodiment, since the beam splitter is not used, the optical loss due to the beam splitter can be eliminated and the configuration of the entire apparatus is simplified.
Although the converging optical fibers 42 and 43 are used as optical fibers for input and output, the converging optical fibers are not limited to the converging optical fiber, and a pair of lenses and a normal lens are used as in the sixth embodiment. A combination with other optical fibers may also be used.
[0109]
Next, an eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 9. In the eighth embodiment, a 3 dB multimode interferometer is used as a 2 × 2 type optical multiplexer / demultiplexer. The other configuration is exactly the same as that of the seventh embodiment.
See FIG.
FIG. 9 is a conceptual configuration diagram of a gain-clamped semiconductor optical amplifier device according to an eighth embodiment of the present invention. A Mach-Zehnder interferometer 60 serving as a basic component of the gain-clamped semiconductor optical amplifier device is Two 3 dB multimode interferometers 66 and 67 formed on the semiconductor substrate 65 are used as two 2 × 2 type optical multiplexer / demultiplexers, and both of the pair of arms between the two multimode interferometers 66 and 67 are used. Semiconductor optical amplifiers 68 and 69 are provided, and an optical input 61 as signal light input to one input port of a multi-mode interferometer 66 in the previous stage from a focusing optical fiber 62 provided with a lens at the tip, After being branched in half at the interference section of the multimode interferometer 66 and amplified by the semiconductor optical amplifiers 68 and 69, the multimode interferometer 66 is connected at the interference section of the subsequent multimode interferometer 67. Is, from the output port of the input port and the cross position where the signal light is input through a focused optical fiber 63 is outputted as an optical output 64.
[0110]
The laser resonator in this case is also provided on the outer end face of the highly reflective film 70 made of a multilayer dielectric film provided on the cleaved end face of the other output port of the subsequent multimode interferometer 67 and the variable optical attenuator 72. In this laser resonator, a variable optical attenuator 72 is inserted through a lens pair 71, and the resonator loss can be made arbitrarily continuous by the variable optical attenuator 72. Can be controlled.
[0111]
In this case, the Mach-Zehnder interferometer 60 is formed by laminating, for example, an InGaAsP / InP double heterojunction structure in which an active layer has a strained MQW structure having a wavelength composition of 1.55 μm on a semiconductor substrate 65 made of n-type InP. After forming the laminated structure for forming the semiconductor optical amplifiers 68 and 69 and removing the region other than the region for forming the semiconductor optical amplifiers 68 and 69, the optical component having a wavelength composition of 1.30 μm, for example, in the removed portion. A semiconductor optical amplifier sandwiched between two 2 × 2 type multimode interferometers 66 and 67 by laminating a double heterojunction structure having a wave core layer and performing mesa etching into a shape as shown in the figure 68 and 69 are formed.
[0112]
In the eighth embodiment, since 3 dB multimode interferometers 66 and 68 are used as the 2 × 2 type optical multiplexer / demultiplexer, the 2 × 2 type optical multiplexer / demultiplexer is used as in the seventh embodiment. The manufacturing tolerance of the 2 × 2 type optical multiplexer / demultiplexer can be increased, that is, the tolerance of dimensional accuracy can be increased, compared with the case where the directional couplers 46 and 47 are used as a coupler, thereby increasing the yield of the semiconductor optical amplifier. Can be manufactured.
[0113]
Also in the eighth embodiment, since the laser oscillation light and the signal light are spatially separated in the region other than the amplification region, it is not necessary to give the laser resonator wavelength dependency. Since the reflecting mirror can be composed of the cleavage plane itself or a high-reflectivity multilayer dielectric film provided on the cleavage plane, the resonator structure is simplified, and the beam splitter is not used. Since the resulting optical loss can be eliminated, the configuration of the entire apparatus can be further simplified.
In this case as well, the converging optical fibers 42 and 43 are used as optical fibers for input and output. However, the converging optical fibers are not limited to the converging optical fibers, and a pair of optical fibers are used as in the sixth embodiment. A combination of this lens and a normal optical fiber may be used.
[0114]
Further, since the variable optical attenuator 72 is provided in a portion through which the signal light does not pass, the variable optical attenuator 72 can be used because it is sufficient to consider only the attenuation characteristic with respect to the laser oscillation light. Various commercially available optical attenuators that increase the degree of freedom of 72 can be used.
[0115]
Next, a ninth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 10. In this ninth embodiment, the fiber resonator is used to give wavelength selectivity to the laser resonator. Other configurations are the same as those in the eighth embodiment.
See FIG.
FIG. 10 is a conceptual configuration diagram of a gain-clamped semiconductor optical amplifier device according to a ninth embodiment of the present invention. A Mach-Zehnder interferometer 60 serving as a basic component of the gain-clamped semiconductor optical amplifier device is In exactly the same manner as in the eighth embodiment, two 3 dB multimode interferometers 66 and 67 formed on the semiconductor substrate 65 are used as two 2 × 2 type optical multiplexer / demultiplexers. Semiconductor optical amplifiers 68 and 69 are provided on both of a pair of arms between the optical devices 66 and 67, and one input port of the multi-mode interferometer 66 in the preceding stage from the focusing optical fiber 62 provided with a lens at the tip. The optical input 61 as the signal light input to the multimode interferometer 66 is branched in half at the interfering portion of the multimode interferometer 66 and amplified by the semiconductor optical amplifiers 68 and 69, and then the subsequent stage of the optical input 61. Are combined at the interference portion of Chimodo interferometer 67, the signal light is outputted as an optical output 64 via a focusing optical fiber 63 from the output port of the input port and the cross position input.
[0116]
On the other hand, the laser resonator in this case is disposed outside the variable optical attenuator 72 and the highly reflective film 70 made of a multilayer dielectric film provided on the end face of the other output port of the multimode interferometer 67 in the subsequent stage. In this resonator, a variable optical attenuator 72 is inserted through a lens pair 71, and the resonator loss can be controlled arbitrarily and continuously by the variable optical attenuator 72. Can do.
[0117]
In the ninth embodiment, since the laser resonator has wavelength selectivity by the fiber diffraction grating 74, the laser oscillation wavelength is stabilized, and an undesirable nonlinear interaction with the signal light occurs. And stable signal light amplification is possible. For example, when the laser oscillation wavelength is unstable, if the laser oscillation wavelength shifts to a longer wavelength side than the intended wavelength, the wavelength difference λ from the signal light1−λ2Since the phase conjugate wave is generated by the four-light mixing and is output from the output port as the optical output 64 together with the signal light, the phase conjugate wave is separated and removed for stable optical communication. Although it is necessary to provide a filter or the like, such a problem does not occur in the ninth embodiment.
[0118]
Also in the ninth embodiment, since the 3 dB multimode interferometers 66 and 67 are used as the 2 × 2 type optical multiplexer / demultiplexer, the 2 × 2 type is used as in the seventh embodiment. The manufacturing tolerance of the 2 × 2 type optical multiplexer / demultiplexer can be increased as compared with the case where the directional couplers 46 and 47 are used as the optical multiplexer / demultiplexer, whereby the semiconductor optical amplifier can be manufactured with a high yield.
Other operational effects, characteristics, etc. are the same as those in the eighth embodiment.
[0119]
Next, a tenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 11. In this tenth embodiment, a laser resonator has wavelength selectivity using a pair of fiber diffraction gratings. The variable optical attenuator is monolithically integrated into the Mach-Zehnder interferometer 60 as an electroabsorption optical modulator, and the other configuration is exactly the same as in the ninth embodiment.
See FIG.
FIG. 11 is a conceptual configuration diagram of a gain-clamped semiconductor optical amplifier device according to a tenth embodiment of the present invention. A Mach-Zehnder interferometer 60 serving as a basic component of the gain-clamped semiconductor optical amplifier device is Similar to the eighth embodiment, two 3 dB multimode interferometers 66 and 67 formed on the semiconductor substrate 65 are used as two 2 × 2 type optical multiplexer / demultiplexers. Semiconductor optical amplifiers 68 and 69 are provided on both of the pair of arms between 66 and 67, and from the converging optical fiber 62 provided with a lens at the tip to one input port of the multi-mode interferometer 66 in the preceding stage. The optical input 61 as the input signal light is branched in half at the interference section of the multimode interferometer 66 and amplified by the semiconductor optical amplifiers 68 and 69, and then the subsequent stage of the multi-mode interferometer 66 is amplified. Are combined at interferometer mode interferometer 67, the signal light is outputted as an optical output 64 via a focusing optical fiber 63 from the output port of the input port and the cross position input.
[0120]
On the other hand, the laser resonator in this case includes an optical fiber diffraction grating 76 provided on the end face side of the other output port of the subsequent multimode interferometer 67 and an end face of the other input port of the preceding multimode interferometer 66. In the tenth embodiment, the variable optical attenuator is used as the electroabsorption optical modulator 75, and the other multimode interferometer 66 in the previous stage is used. Are monolithically integrated on the input port side.
[0121]
In this case, the Mach-Zehnder interferometer 60 is formed by laminating, for example, an InGaAsP / InP double heterojunction structure in which an active layer has a strained MQW structure having a wavelength composition of 1.55 μm on a semiconductor substrate 65 made of n-type InP. After forming the laminated structure for forming the semiconductor optical amplifiers 68 and 69 and removing the region other than the region for forming the semiconductor optical amplifiers 68 and 69, the optical component having a wavelength composition of 1.30 μm, for example, in the removed portion. After laminating a double heterojunction structure having a wave core layer, and then removing a part of the laminated structure in the vicinity of the region where the multi-mode interferometer 66 of the previous stage is formed, the wavelength composition is 1.48 μm as an absorption layer By laminating a pin structure for forming an electroabsorption optical modulator composed of an InGaAsP layer, and mesa etching into a shape as shown in the figure, Two 2 × 2 type multi-mode interferometers 66 and 67, semiconductor optical amplifiers 68 and 69 sandwiched therebetween, and an electroabsorption optical modulator 75 are formed, and the electroabsorption optical modulator 75 is formed. Thus, the resonator loss can be controlled arbitrarily and continuously.
[0122]
In this way, the variable optical attenuator can be miniaturized by using the electroabsorption optical modulator 75 integrated as the variable optical attenuator. Further, the multimode interference between the electroabsorption optical modulator 75 and the preceding stage can be reduced. Since the lens pair 71 between the optical device 66 and the device 66 is not necessary, the semiconductor optical amplifier can be further downsized.
[0123]
In the tenth embodiment, since the laser resonator is composed of a pair of fiber diffraction gratings 74 and 76, the laser oscillation wavelength is more stable, and undesirable nonlinear interaction with the signal light occurs. It is possible to amplify the signal light stably without any occurrence, and other operational effects, characteristics, etc. are the same as in the eighth embodiment.
[0124]
In the tenth embodiment, the electroabsorption optical modulator 75 that can be easily integrated is used as the variable optical attenuator. In this case, the Mach-Zehnder interferometer 60 is used. Since light and laser oscillation light are spatially separated in regions other than the amplification region, and therefore, no special light absorption characteristics are required for the electroabsorption optical modulator 75, a variable optical attenuator having another configuration, for example, A current injection type semiconductor light absorption element or the like may be used.
[0125]
Next, an eleventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 12. In the eleventh embodiment, a DBR region serving as a reflector having wavelength selectivity is used as a laser resonator. The mode interference unit is monolithically integrated on the input / output port side, and the other configurations are the same as those in the tenth embodiment.
See FIG.
FIG. 12 is a conceptual configuration diagram of a gain-clamped semiconductor optical amplifier according to an eleventh embodiment of the present invention. A Mach-Zehnder interferometer 60 serving as a basic component of the gain-clamped semiconductor optical amplifier is Similar to the eighth embodiment, two 3 dB multimode interferometers 66 and 67 formed on the semiconductor substrate 65 are used as two 2 × 2 type optical multiplexer / demultiplexers. Semiconductor optical amplifiers 68 and 69 are provided on both of the pair of arms between 66 and 67, and from the converging optical fiber 62 provided with a lens at the tip to one input port of the multi-mode interferometer 66 in the preceding stage. The optical input 61 as the input signal light is branched in half at the interference section of the multimode interferometer 66 and amplified by the semiconductor optical amplifiers 68 and 69, and then the subsequent stage of the multi-mode interferometer 66 is amplified. Are combined at the interference of the modes interferometer 67, the signal light is outputted as an optical output 64 via a focusing optical fiber 63 from the output port of the input port and the cross position input.
[0126]
On the other hand, the laser resonator in this case includes a DBR region 77 provided on the other output port side of the subsequent multimode interferometer 67 and a DBR provided on the other input port side of the preceding multimode interferometer 66. In the eleventh embodiment, as the variable optical attenuator 79, an electroabsorption optical modulator is monolithically integrated on the other input port side of the preceding multimode interferometer 66. Is provided.
[0127]
In this case, the Mach-Zehnder interferometer 60 is also formed by laminating an InGaAsP / InP double heterojunction structure having an active layer having a strained MQW structure with a wavelength composition of 1.55 μm on a semiconductor substrate 65 made of n-type InP. After forming a laminated structure for forming the semiconductor optical amplifiers 68 and 69 and removing the region other than the region for forming the semiconductor optical amplifiers 68 and 69, the wavelength composition in the removal portion is shorter than the laser oscillation wavelength. For example, after laminating a double heterojunction structure having an optical waveguide core layer of 1.30 μm, and then removing a part of the laminated structure in the vicinity of the region where the multi-mode interferometer 66 of the previous stage is formed, as an absorption layer A pin structure for forming an electro-absorption optical modulator composed of an InGaAsP layer having a wavelength composition of 1.48 μm is laminated, and a mesa layer is formed into the shape shown in the figure. The two 2 × 2 type multi-mode interferometers 66 and 67, the semiconductor optical amplifiers 68 and 69, the variable optical attenuator 79, and the DBR regions 77 and 78 sandwiched between them are formed by the In addition, the resonator loss can be arbitrarily controlled continuously by the variable optical attenuator 79.
The DBR regions 77 and 78 form a diffraction grating by forming periodic irregularities in the vicinity of the optical waveguide core layer after the optical waveguide core layer is grown or before the optical waveguide core layer is grown. Then, a predetermined layer structure is formed by laminating.
[0128]
Since the laser resonator is formed as an internal resonator using the DBR regions 77 and 78 in this way, the device configuration is simplified, so that the assembly of the device is facilitated, and the variable optical attenuator 79 is also provided. Since it is integrated, the variable optical attenuator 79 can also be reduced in size, whereby the semiconductor optical amplifier can be further reduced in size.
[0129]
In the eleventh embodiment, since the laser resonator is composed of a pair of DBR regions 77 and 78, the wavelength selectivity of the laser resonator is set at the element design stage and the manufacturing stage. The attention about wavelength selectivity when using an external resonator is alleviated, and other functions, effects, characteristics, etc. are the same as those in the tenth embodiment.
[0130]
In the eleventh embodiment, an electroabsorption optical modulator that can be easily integrated is used as the variable optical attenuator 79. Also in this case, the variable optical attenuator 79 has special light absorption characteristics. Therefore, a variable optical attenuator having another configuration, such as a current injection type semiconductor light absorption element, may be used.
[0131]
Next, with reference to FIGS. 13 to 17, a gain clamp type semiconductor optical amplifying device using the Sagnac type interferometer of the twelfth to sixteenth embodiments of the present invention will be described.
See FIG.
FIG. 13 is a conceptual configuration diagram of a gain clamped semiconductor optical amplifier according to a twelfth embodiment of the present invention. A Sagnac interferometer 80 constituting the gain clamped semiconductor optical amplifier is an optical fiber. The input / output side optical waveguide 82 for the configured signal light, the directional coupler 83 also configured with an optical fiber, the arms 84 and 86, the semiconductor optical amplifier 85 disposed between the arms 84 and 86, and also with the optical fiber. A laser-side optical waveguide 88 that constitutes a laser resonator and a highly reflective film 89 made of a multilayer dielectric film are included.
[0132]
In this case, the laser resonator includes a highly reflective film 89, a laser-side optical waveguide 88, a directional coupler, arms 84 and 85, and a semiconductor optical amplifier 85, and the laser oscillation light generated by the semiconductor optical amplifier 85 is Then, the light is reflected by the highly reflective film 89 and again travels toward the arm side. At that time, the directional coupler 83 constituting the optical coupler is divided into two parts, a clockwise laser oscillation light and a counterclockwise laser oscillation light. However, the phase of the counterclockwise laser oscillation light propagating to the cross side in the directional coupler 83 is shifted by π / 2, while the clockwise laser oscillation light is also crossed from the arm 84 in the directional coupling 83. When returning to the laser-side optical waveguide 88 on the side, the phase is shifted by π / 2. Therefore, in the laser-side optical waveguide 88, the counterclockwise laser oscillation light and the clockwise laser oscillation light have the same level. It becomes a phase and does not disappear due to interference.
[0133]
On the other hand, although there is no change in the phase of the component of the clockwise laser oscillation light from the arm 84 to the input / output side optical waveguide 82 via the directional coupler 83, the arm 86 of the counterclockwise laser oscillation light is not changed. Since the component heading toward the input / output side optical waveguide 82 on the cross side through the directional coupler 83 crosses the directional coupler 83 twice, its phase is shifted by (π / 2) × 2 = π. In the input / output side optical waveguide 82, the clockwise laser oscillation light and the counterclockwise laser oscillation light have opposite phases and disappear due to interference, so that the laser oscillation light is output from the input / output side optical waveguide 82. Absent.
[0134]
The same applies to the signal light. The optical input 81 input to the input / output side optical waveguide 82 is amplified by the semiconductor optical amplifier 85, propagates through the annular arms 84 and 86, and is then input / output side optical again. The amplified optical output 87 is output from the waveguide 82 and does not propagate through the laser-side optical waveguide 88.
[0135]
Therefore, in this Sagnac type optical interferometer 80, the laser oscillation light and the signal light are completely spatially separated, so that it is not necessary to make the laser resonator wavelength dependent, and normal light Since the reflecting mirror can be constituted by the cleavage plane of the fiber itself or a multilayer dielectric film having a high reflectivity provided on the cleavage plane, the resonator structure is simplified.
[0136]
In the twelfth embodiment, since the Sagnac type optical interferometer 80 is used, only one semiconductor optical amplifier 85 is required, and the seventh to eleventh embodiments using a pair of semiconductor optical amplifiers are used. Compared with the configuration, the requirement on the symmetric operation required for the semiconductor optical amplifier 85 can be eliminated, and therefore the laser oscillation light and the signal light can be spatially separated more stably.
[0137]
Further, in the twelfth embodiment, since the portion other than the optical amplifier 85 of the Sagnac type optical interferometer 80 is configured using an optical fiber, stable operation is not required without requiring a special fine processing technique. Thus, a gain clamp type semiconductor optical amplifying device capable of achieving the above can be configured.
[0138]
Next, a thirteenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 14. In the thirteenth embodiment, a laser is used instead of the high reflection film 89 in the twelfth embodiment. A diffraction grating 90 is provided at the end of the side optical waveguide 88, that is, the laser side optical waveguide 88 is configured by a fiber diffraction grating, and other configurations are completely the same as those of the twelfth embodiment. Since it is similar, the description will be simplified.
See FIG.
FIG. 14 is a conceptual configuration diagram of a gain clamped semiconductor optical amplifier according to a thirteenth embodiment of the present invention. A Sagnac interferometer 80 constituting the gain clamped semiconductor optical amplifier is an optical fiber. The input / output side optical waveguide 82 for the configured signal light, the directional coupler 83 also configured with an optical fiber, the arms 84 and 86, the semiconductor optical amplifier 85 disposed between the arms 84 and 86, and also with the optical fiber. The laser-side optical waveguide 88 that constitutes the laser resonator and the diffraction grating 90 formed at one end of the laser-side optical waveguide 88 are configured.
[0139]
The operating principle and main features in this case are the same as in the twelfth embodiment, but in the thirteenth embodiment, a diffraction grating 90 is formed at one end of the laser-side optical waveguide 88. Therefore, the oscillation wavelength of the laser oscillation light is stabilized, and the difference between the wavelength of the signal light and the wavelength of the laser oscillation light can be stably maintained. Generation of a nonlinear effect or the like due to an undesired interaction between light and laser oscillation light can be prevented.
[0140]
Next, a fourteenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 15. In this fourteenth embodiment, a planar optical circuit (PLC) using a dielectric as a part other than the semiconductor optical amplifier. ).
See FIG.
FIG. 15 is a conceptual configuration diagram of a gain-clamped semiconductor optical amplifier according to a fourteenth embodiment of the present invention. A Sagnac interferometer 100 constituting the gain-clamped semiconductor optical amplifier is a quartz substrate or the like. The optical input / output side optical waveguide 103 for the signal light provided on the PLC substrate 102, the directional coupler 104, the arms 105 and 107, the semiconductor optical amplifier 106 provided in the middle of the arms 105 and 107, and the laser resonator. And a diffraction grating 110 formed at one end of the laser-side optical waveguide 109.
[0141]
In this case, the Sagnac interferometer 100 is formed by using a CVD method on a PLC substrate 102 such as a quartz substrate.2Lower clad layer made of film and GeO2SiO with high refractive index by doping2After depositing the core layer made of a film, reactive ion etching forms an “Ω” -shaped pattern that constitutes the input / output side optical waveguide 103, the directional coupler 104, the arms 105 and 107, and the laser side optical waveguide 109. Etch the core layer.
[0142]
Then, again, SiO is formed by CVD.2After depositing the upper clad layer made of a film, the diffraction grating 110 is formed on one end of the laser-side optical waveguide 109 using the interference exposure method, and then the central portion of the annular optical waveguide constituting the arms 105 and 107 is formed. A recess reaching the PLC substrate 102 for hybrid mounting of the semiconductor optical amplifier 106 is formed. Finally, the semiconductor optical amplifier 106 is hybrid mounted in this recess with the optical axis aligned with the arms 105 and 107.
As the semiconductor optical amplifier 106 in this case, for example, an InGaAsP / InP-based semiconductor optical amplifier whose active layer has a strained MQW structure with a wavelength composition of 1.55 μm may be used.
[0143]
In the fourteenth embodiment, the parts other than the semiconductor optical amplifier of the Sagnac type interferometer 100 are formed by a planar optical circuit (PLC) using a dielectric, so the twelfth and Compared to the thirteenth embodiment, the apparatus configuration can be greatly simplified and downsized.
The operating principle and main features are the same as in the thirteenth embodiment. The optical input 101 is amplified by the semiconductor optical amplifier 106 and then output from the input / output side optical waveguide 103 as the optical output 108. The
[0144]
In the fourteenth embodiment, the material configuration and manufacturing method of the PLC are not limited to the above-described material configuration and manufacturing method. For example, the film formation method of the cladding layer and the core layer is a normal one. The method is not limited to the atmospheric pressure CVD method, and a plasma CVD method or a low pressure CVD method may be used, and further, a flame deposition method may be used.
[0145]
In order to form the core layer, SiO2The dopant doped into GeO is GeO2Is not limited to TiO2Or P2OFiveEtc., and the core layer may be made of SiO.xNyHzOther material systems such as the above may be used.
[0146]
Next, a fifteenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 16. In the fifteenth embodiment, the entire Sagnac type optical interferometer is constructed monolithically using a semiconductor. is there.
See FIG.
FIG. 16 is a conceptual configuration diagram of a gain clamped semiconductor optical amplifier according to a fifteenth embodiment of the present invention. A Sagnac interferometer 120 constituting the gain clamped semiconductor optical amplifier is a semiconductor substrate 122. The input / output side optical waveguide 123 for the signal light, the directional coupler 124, the arms 125 and 127, the semiconductor optical amplifier 126 provided between the arms 125 and 127, and the laser side optical waveguide constituting the laser resonator. 129 and a diffraction grating 130 formed at one end of the laser-side optical waveguide 129.
[0147]
In this case, the Sagnac interferometer 120 has, for example, an InGaAsP / InP double heterojunction structure in which an active layer has a strained MQW structure having a wavelength composition of 1.55 μm on a semiconductor substrate 122 made of n-type InP. After forming a laminated structure for forming the semiconductor optical amplifier 126 and removing the region other than the region for configuring the semiconductor optical amplifier 126, the removal portion has a wavelength composition shorter than the laser oscillation wavelength, for example, A double heterojunction structure having an optical waveguide core layer with a thickness of 1.30 μm is stacked, and then mesa-etched into an “Ω” shape to thereby form an input / output side optical waveguide 123, a directional coupler 124, arms 125, 127, And the laser side optical waveguide 129 is formed.
Note that the diffraction grating 130, that is, the DBR region is diffracted by forming periodic irregularities in the vicinity of the optical waveguide core layer after the optical waveguide core layer is grown or before the optical waveguide core layer is grown. A lattice is formed, and then the aforementioned predetermined layer structure is laminated.
[0148]
Thus, in the fifteenth embodiment of the present invention, the entire configuration of the Sagnac interferometer 120 is monolithically formed using a semiconductor, so that the entire configuration can be further reduced in size, Since hybrid mounting as in the fourteenth embodiment is not required, optical axis alignment at the time of mounting becomes unnecessary, and deterioration of optical characteristics depending on the accuracy of optical axis alignment does not occur. .
The operating principle and main features are the same as those in the fourteenth embodiment. The optical input 121 is amplified by the semiconductor optical amplifier 126 and then output from the input / output side optical waveguide 123 as the optical output 128. The
[0149]
Next, a sixteenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 17. In the sixteenth embodiment, variable light is added to the Sagnac type optical interferometer of the fifteenth embodiment. An electroabsorption optical modulator is monolithically incorporated as an attenuator.
See FIG.
FIG. 17 is a conceptual configuration diagram of a gain clamped semiconductor optical amplifier according to a sixteenth embodiment of the present invention. A Sagnac interferometer 120 constituting this gain clamped semiconductor optical amplifier is a semiconductor substrate 122. The input / output side optical waveguide 123 for the signal light, the directional coupler 124, the arms 125 and 127, the semiconductor optical amplifier 126 provided between the arms 125 and 127, and the laser side optical waveguide constituting the laser resonator. 129, an electroabsorption optical modulator 131 provided in the middle part of the laser side optical waveguide 129, and a diffraction grating 130 provided at one end of the laser side optical waveguide 129.
[0150]
The Sagnac interferometer 120 in this case also has, for example, an InGaAsP / InP double heterojunction structure in which the active layer has a strained MQW structure with a wavelength composition of 1.55 μm on the semiconductor substrate 122 made of n-type InP. After forming a laminated structure for forming the semiconductor optical amplifier 126 and removing the region other than the region for configuring the semiconductor optical amplifier 126, the removal portion has a wavelength composition shorter than the laser oscillation wavelength, for example, After laminating a double heterojunction structure having an optical waveguide core layer having a thickness of 1.30 μm, and then removing a part of the laminated structure in the middle of the region constituting the laser side optical waveguide 129, the wavelength composition as an absorption layer A pin structure for forming an electroabsorption optical modulator 131 composed of an InGaAsP layer having a thickness of 1.48 μm is laminated, and then a mesa is formed in an “Ω” shape. Output-side optical waveguide 123 by etching, a directional coupler 124, the arms 125 and 127, laser optical wave guide 129, and is obtained by forming an electric field absorption optical modulator 131.
Note that the diffraction grating 130, that is, the DBR region is diffracted by forming periodic irregularities in the vicinity of the optical waveguide core layer after the optical waveguide core layer is grown or before the optical waveguide core layer is grown. A lattice is formed, and then the aforementioned predetermined layer structure is laminated.
[0151]
Thus, in the sixteenth embodiment of the present invention, when the entire configuration of the Sagnac interferometer 120 is monolithically formed using a semiconductor, the electroabsorption optical modulator 131 serving as a variable optical attenuator is also provided. Since it is monolithically incorporated, the resonator loss can be continuously controlled to an arbitrary value by the attenuation amount of the electroabsorption optical modulator 131, as in the first to eleventh embodiments. The characteristics of the semiconductor optical amplifier can be set to optimum values according to various applications.
The operating principle and main features are the same as in the fifteenth embodiment, and the optical input 121 is output from the input / output side optical waveguide 123 as the optical output 128 after being amplified by the semiconductor optical amplifier 126. The
[0152]
In the sixteenth embodiment, the electroabsorption optical modulator 131 that can be easily integrated is used as the variable optical attenuator. In this case, the variable optical attenuator has special light absorption characteristics. Since this is not required, a variable optical attenuator having another configuration, for example, a current injection type semiconductor light absorption element or the like may be used.
[0153]
As mentioned above, although each embodiment of the present invention has been described, the present invention is not limited to the configuration described in each embodiment, and various modifications are possible.
For example, the active layer of the semiconductor optical amplifier has a 1.55 μm wavelength composition so that the attenuation in the optical long-distance communication fiber is small, but other compositions such as a 1.3 μm wavelength composition may be used. Is for attenuation characteristics such as the absorption edge wavelength in a variable optical attenuator according to the wavelength composition of the active layer, or for optical waveguide constituting a 2 × 2 type optical multiplexer / demultiplexer, Sagnac type optical interferometer, DBR region, etc. What is necessary is just to change the composition of a core layer.
[0154]
Furthermore, the present invention is not limited to the InGaAsP / InP system when the semiconductor optical amplifier, the variable optical attenuator, the optical waveguide, or the optical coupler is configured by a semiconductor, but a GaAs / AlGaAs system or the like. It may be formed using other compound semiconductors.
[0155]
In addition, the above-described ninth to eleventh embodiments are changed from the eighth embodiment, that is, a reflector having wavelength selectivity such as a fiber diffraction grating is used, and a variable optical attenuator is monolithically integrated. The points to be integrated and the DBR region to be monolithically integrated are applicable to the seventh embodiment as they are.
[0156]
In the seventh to eleventh embodiments, the variable optical attenuator is provided on the input port side of the 2 × 2 type optical multiplexer / demultiplexer on the input side, but the 2 × 2 type optical multiplexer / demultiplexer on the output side is provided. A variable optical attenuator may be provided on the output port side.
[0157]
In the description of the seventh to eleventh embodiments, the wavelength composition of the optical waveguide core layer of the DBR region or 2 × 2 type optical multiplexer / demultiplexer is used in order to prevent undesired absorption of laser oscillation light. Is set to a wavelength shorter than the wavelength composition of the active layer of the semiconductor optical amplifier, but may have the same structure as the semiconductor optical amplifier. In this case, the DBR region or 2 is set so as to cancel the absorption loss. A × 2 type optical multiplexer / demultiplexer may be forward-biased.
[0158]
In the description of the twelfth to fourteenth embodiments, it is assumed that the gain-clamped semiconductor optical amplifier device using a Sagnac optical interferometer is a novel one. However, as in the sixteenth embodiment, a variable optical attenuator may be provided in the middle of the laser side optical waveguide, so that the resonator loss can be set to an arbitrary value. By continuously controlling, the characteristics of the semiconductor optical amplifier can be set to an optimum value according to various applications.
[0159]
As the variable optical attenuator, various commercially available variable optical attenuators are used. Since the optical input that is effectively used as signal light does not pass through the variable optical attenuator, the attenuation characteristic of the variable optical attenuator Any type of variable optical attenuator may be used as long as it can attenuate light with a laser oscillation wavelength, for example, 1.51 μm, and such a variable optical attenuator is hybrid-mounted. By doing so, the amount of attenuation can be controlled arbitrarily.
[0160]
In the description of the fifteenth and sixteenth embodiments described above, in order to prevent undesired absorption of laser oscillation light, an input / output side optical waveguide, a directional coupler, an arm, a laser side optical waveguide, and The wavelength composition of the optical waveguide core layer in the DBR region is set to be shorter than the wavelength composition of the active layer of the semiconductor optical amplifier. However, the same structure as the semiconductor optical amplifier may be used, and the entire configuration is the same. By doing so, the manufacturing process can be greatly simplified.
In that case, it is necessary to forward bias each region so as to cancel the absorption loss.
[0161]
In the description of the thirteenth to sixteenth embodiments, the laser side optical waveguide is provided with a diffraction grating to provide wavelength selectivity. However, as in the twelfth embodiment, a laser is used. A highly reflective film may be provided only on the end face of the side optical waveguide, or a dielectric or semiconductor cleaved surface may be used.
[0162]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to continuously adjust the gain and the allowable incident power of signal light, and to realize a gain clamp type semiconductor optical amplifier capable of optimizing the characteristics for each application requirement by one structure. Therefore, it greatly contributes to the practical application of the wavelength division multiplexing optical communication system.
[0163]
In addition, by constructing a gain-clamped semiconductor optical amplifier using a Sagnac optical interferometer, the symmetrical operation characteristics of the semiconductor optical amplifier are no longer required, so that the laser oscillation light and the signal light are reliably separated spatially. In addition, since the overall configuration of the apparatus can be further reduced in size, this point greatly contributes to the practical use of the wavelength division multiplexing optical communication system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a basic configuration of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual configuration diagram of the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a conceptual configuration diagram of a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a conceptual configuration diagram of a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a conceptual configuration diagram of a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a conceptual configuration diagram of a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a conceptual configuration diagram of a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a conceptual configuration diagram of a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a conceptual configuration diagram of an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a conceptual configuration diagram of a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a conceptual configuration diagram of a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a conceptual configuration diagram of an eleventh embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a conceptual configuration diagram of a twelfth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a conceptual configuration diagram of a thirteenth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a conceptual configuration diagram of a fourteenth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a conceptual configuration diagram of a fifteenth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a conceptual configuration diagram of a sixteenth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is an explanatory diagram of resonator loss dependence of gain-optical output characteristics of a semiconductor optical amplifier device;
[Explanation of symbols]
1 Semiconductor optical amplifier
2 Semiconductor optical amplifier
3 Variable optical attenuator
4 Wavelength selective reflector
5 Reflector without wavelength selectivity
6 Beam splitter
7 signal light
11 Light input
12 optical fiber
13 Lens
14 Beam splitter
15 lenses
16 Semiconductor optical amplifier
17 Lens
18 lenses
19 Optical fiber
20 Light output
21 Variable optical attenuator
22 Diffraction grating
23 Beam splitter
24 lenses
25 Diffraction grating
26 Fiber diffraction grating
27 lenses
28 lenses
29 Fiber diffraction grating
30 Monolithic optical semiconductor device
31 Semiconductor substrate
32 Semiconductor optical amplification region
33 Variable optical attenuation region
34 Monolithic optical semiconductor device
35 Semiconductor substrate
36 DBR region
37 DBR region
40 Mach-Zehnder interferometer
41 Light input
42 Focusing optical fiber
43 Focused optical fiber
44 Light output
45 Semiconductor substrate
46 Directional coupler
47 Directional coupler
48 Semiconductor optical amplifier
49 Semiconductor optical amplifier
50 highly reflective film
51 lens pair
52 Variable Optical Attenuator
53 High reflective film
60 Mach-Zehnder interferometer
61 Light input
62 Focusing optical fiber
63 Focused optical fiber
64 light output
65 Semiconductor substrate
66 Multimode Interferometer
67 Multimode Interferometer
68 Semiconductor optical amplifier
69 Semiconductor optical amplifier
70 High reflective film
71 Lens pair
72 Variable Optical Attenuator
73 High reflective film
74 Fiber diffraction grating
75 Electroabsorption optical modulator
76 Fiber diffraction grating
77 DBR region
78 DBR region
79 Variable Optical Attenuator
80 Sagnac optical interferometer
81 Light input
82 I / O side optical waveguide
83 Directional coupler
84 arms
85 Semiconductor optical amplifier
86 arm
87 Light output
88 Laser side optical waveguide
89 High reflective film
90 diffraction grating
100 Sagnac optical interferometer
101 Light input
102 PLC board
103 Input / output optical waveguide
104 Directional coupler
105 arms
106 Semiconductor optical amplifier
107 arm
108 Light output
109 Laser-side optical waveguide
110 diffraction grating
120 Sagnac optical interferometer
121 Light input
122 Semiconductor substrate
123 Input / output optical waveguide
124 Directional coupler
125 arms
126 Semiconductor optical amplifier
127 arm
128 optical output
129 Laser-side optical waveguide
130 diffraction grating
131 Electroabsorption optical modulator

Claims (23)

半導体光増幅器と、前記半導体光増幅器を内部に含むレーザ共振器とで構成した利得クランプ型の半導体光増幅装置において、信号光に対する実効的な透過損失量が一定値を維持しながら、レーザ発振光に対する共振器損失量が制御可能である可変光減衰機構を有することを特徴とする半導体光増幅装置。  In a gain clamp type semiconductor optical amplifying device comprising a semiconductor optical amplifier and a laser resonator including the semiconductor optical amplifier, laser oscillation light while maintaining an effective transmission loss amount for signal light at a constant value. A semiconductor optical amplifying device comprising a variable optical attenuating mechanism capable of controlling a resonator loss amount with respect to. 上記レーザ共振器を少なくとも一方が波長選択性のある反射鏡によって構成するとともに、上記可変光減衰機構として前記レーザ共振器内に可変光減衰器を設けたことを特徴とする請求項1記載の半導体光増幅装置。  2. The semiconductor according to claim 1, wherein at least one of the laser resonators is constituted by a reflecting mirror having wavelength selectivity, and a variable optical attenuator is provided in the laser resonator as the variable optical attenuation mechanism. Optical amplification device. 上記レーザ共振器内に信号光が通過しない部分を設け、前記信号光が通過しない部分に上記可変光減衰器を配置したことを特徴とする請求項2記載の半導体光増幅装置。  3. The semiconductor optical amplifying device according to claim 2, wherein a portion through which the signal light does not pass is provided in the laser resonator, and the variable optical attenuator is disposed at a portion through which the signal light does not pass. 上記レーザ共振器を波長選択性のある反射鏡と波長選択性のない反射鏡からなる外部共振器構造とし、前記波長選択性のある反射鏡と上記半導体光増幅装置との間にビームスプリッタを挿入すると共に、前記ビームスプリッタを介してレーザ共振器に垂直な方向から信号光を入射させ、前記波長選択性のある反射鏡とビームスプリッタとの間を上記信号光が通過しない部分としたことを特徴とする請求項3記載の半導体光増幅装置。  The laser resonator has an external resonator structure composed of a wavelength-selective reflector and a non-wavelength-selective reflector, and a beam splitter is inserted between the wavelength-selective reflector and the semiconductor optical amplifier. In addition, signal light is incident from a direction perpendicular to the laser resonator through the beam splitter, and the signal light is not passed between the wavelength selective reflector and the beam splitter. The semiconductor optical amplifier according to claim 3. 上記レーザ共振器を波長選択性のある反射鏡と波長選択性のない反射鏡からなる外部共振器構造とし、前記波長選択性のある反射鏡と上記半導体光増幅装置との間にビームスプリッタを挿入すると共に、前記ビームスプリッタを介してレーザ共振器に垂直な方向から信号光を出射させ、前記波長選択性のある反射鏡とビームスプリッタとの間を上記信号光が通過しない部分としたことを特徴とする請求項3記載の半導体光増幅装置。  The laser resonator has an external resonator structure composed of a wavelength-selective reflector and a non-wavelength-selective reflector, and a beam splitter is inserted between the wavelength-selective reflector and the semiconductor optical amplifier. In addition, the signal light is emitted from a direction perpendicular to the laser resonator through the beam splitter, and the signal light does not pass between the wavelength selective reflector and the beam splitter. The semiconductor optical amplifier according to claim 3. 上記レーザ共振器を一対の波長選択性のある反射鏡からなる外部共振器構造とし、上記半導体光増幅器と前記両方の波長選択性のある反射鏡との間に各々ビームスプリッタを挿入すると共に、前記ビームスプリッタを介してレーザ共振器に垂直な方向から信号光を入出射させ、前記一対の波長選択性のある反射鏡とビームスプリッタとの間の二箇所の領域を上記信号光が通過しない部分としたことを特徴とする請求項3記載の半導体光増幅装置。  The laser resonator has an external resonator structure composed of a pair of wavelength-selective reflectors, and a beam splitter is inserted between the semiconductor optical amplifier and both of the wavelength-selective reflectors, and Signal light is input and output from a direction perpendicular to the laser resonator through a beam splitter, and the signal light does not pass through two regions between the pair of wavelength-selective reflectors and the beam splitter; 4. The semiconductor optical amplifier according to claim 3, wherein 上記レーザ共振器内に信号光が通過しない部分を設けずに、上記可変減衰器としてレーザ発振波長に対しては光減衰量を変えられるが、前記信号光は実効的に減衰しない可変光減衰器を配置したことを特徴とする請求項2記載の半導体光増幅装置。  A variable optical attenuator in which the amount of optical attenuation can be changed with respect to the laser oscillation wavelength as the variable attenuator without providing a portion through which the signal light does not pass in the laser resonator, but the signal light is not effectively attenuated. The semiconductor optical amplifier according to claim 2, wherein: 上記波長選択性のある反射鏡によりレーザ発振波長を信号光の波長よりも短波長に設定するとともに、上記可変光減衰器として前記レーザ発振波長より短波長側に吸収端波長がある電界吸収型光変調器を用いたことを特徴とする請求項7記載の半導体光増幅装置。  Electroabsorption type light having an absorption edge wavelength shorter than the laser oscillation wavelength as the variable optical attenuator while setting the laser oscillation wavelength shorter than the wavelength of the signal light by the wavelength selective reflector. 8. The semiconductor optical amplifier according to claim 7, wherein a modulator is used. 上記半導体光増幅器と上記電界吸収型光変調器からなる可変光減衰器とをモノリシックに集積化したことを特徴とする請求項8記載の半導体光増幅装置。  9. The semiconductor optical amplifier according to claim 8, wherein the semiconductor optical amplifier and the variable optical attenuator comprising the electroabsorption optical modulator are monolithically integrated. 上記波長選択性のある反射鏡として、ファイバグレーティングを用いたことを特徴とする請求項7乃至9のいずれか1項に記載の半導体光増幅装置。  10. The semiconductor optical amplifier according to claim 7, wherein a fiber grating is used as the wavelength-selective reflecting mirror. 11. 上記波長選択性のある反射鏡として分布ブラッグ反射器を用い、この分布ブラッグ反射器を上記半導体光増幅器と上記電界吸収型光変調器からなる可変光減衰器にモノリシックに一体化したことを特徴とする請求項9記載の半導体光増幅装置。A distributed Bragg reflector is used as the wavelength selective reflector, and the distributed Bragg reflector is monolithically integrated with a variable optical attenuator composed of the semiconductor optical amplifier and the electroabsorption optical modulator. The semiconductor optical amplifier according to claim 9. 上記半導体光増幅器を2つの2×2型光合分岐器からなるマッハツェンダー干渉器の2つのアームに設けると共に、上記レーザ共振器を入力側の前記光合分岐器の入力ポートの一方と、前記入力ポートに対してクロス位置にある出力側の前記光合分岐器の出力ポートに配置した反射鏡によって構成し、上記可変光減衰機構としての可変光減衰器を前記レーザ共振器内の前記光合分岐器と前記反射鏡との間に設けたことを特徴とする請求項1記載の半導体光増幅装置。  The semiconductor optical amplifier is provided in two arms of a Mach-Zehnder interferometer including two 2 × 2 type optical couplers, and the laser resonator is connected to one of the input ports of the optical coupler on the input side and the input port The variable optical attenuator as the variable optical attenuation mechanism includes the optical coupler and the optical coupler in the laser resonator, and a reflecting mirror disposed at the output port of the optical coupler at the output side in the cross position. 2. The semiconductor optical amplifier according to claim 1, wherein the semiconductor optical amplifier is provided between the reflecting mirror and the reflecting mirror. 上記2×2型光合分岐器として、方向性結合器を用いたことを特徴とする請求項12記載の半導体光増幅装置。  13. The semiconductor optical amplifier according to claim 12, wherein a directional coupler is used as the 2 × 2 type optical multiplexer / demultiplexer. 上記2×2型光合分岐器として、マルチモード干渉器を用いたことを特徴とする請求項12記載の半導体光増幅装置。  13. The semiconductor optical amplifier according to claim 12, wherein a multimode interferometer is used as the 2 × 2 type optical multiplexer / demultiplexer. 上記反射鏡の内の少なくとも一方を、波長選択性のある反射鏡で構成したことを特徴とする請求項12乃至14のいずれか1項に記載の半導体光増幅装置。  15. The semiconductor optical amplifying device according to claim 12, wherein at least one of the reflecting mirrors is constituted by a reflecting mirror having wavelength selectivity. 上記可変光減衰器として、電界吸収型光変調器を用いたことを特徴とする請求項12乃至15のいずれか1項に記載の半導体光増幅装置。  16. The semiconductor optical amplifier according to claim 12, wherein an electroabsorption optical modulator is used as the variable optical attenuator. 上記半導体光増幅器、上記2つの2×2型光合分岐器、上記可変光減衰器、及び、上記反射鏡をモノリシックに集積化したことを特徴とする請求項12乃至16のいずれか1項に記載の半導体光増幅装置。  17. The semiconductor optical amplifier, the two 2 × 2 type optical multiplexer / demultiplexers, the variable optical attenuator, and the reflecting mirror are monolithically integrated. Semiconductor optical amplifier. 半導体光増幅器と、前記半導体光増幅器を内部に含むレーザ共振器とで構成した利得クランプ型の半導体光増幅装置において、前記半導体光増幅器をサニャック型光干渉計のアームに設けるとともに、前記サニャック型光干渉計の一方の入出力ポートにつながる光導波路に反射鏡を配置してレーザ共振器を構成し、且つ、該光導波路内に可変光減衰器を配置し、他方の入出力ポートにつながる光導波路を信号光に対する入出力用光導波路としたことを特徴とする半導体光増幅装置。In a gain clamp type semiconductor optical amplifier comprising a semiconductor optical amplifier and a laser resonator including the semiconductor optical amplifier therein, the semiconductor optical amplifier is provided on an arm of a Sagnac optical interferometer, and the Sagnac optical light is provided. An optical waveguide connected to one input / output port of the interferometer to form a laser resonator by arranging a reflecting mirror and a variable optical attenuator arranged in the optical waveguide and connected to the other input / output port A semiconductor optical amplifying device characterized in that an optical waveguide for input / output with respect to signal light is used. 上記反射鏡として、波長選択性のある反射鏡を用いたことを特徴とする請求項18記載の半導体光増幅装置。  19. The semiconductor optical amplifier according to claim 18, wherein a reflecting mirror having wavelength selectivity is used as the reflecting mirror. 上記サニャック型光干渉計における、半導体光増幅器以外の光導波路部及び光カップラー部分を、光ファイバによって構成することを特徴とする請求項18または19に記載の半導体光増幅装置。  20. The semiconductor optical amplifying device according to claim 18, wherein the optical waveguide portion and the optical coupler portion other than the semiconductor optical amplifier in the Sagnac type optical interferometer are constituted by optical fibers. 上記サニャック型光干渉計における、上記半導体光増幅器以外の光導波路部及び光カップラー部分を、プレーナ型誘電体光回路によって構成することを特徴とする請求項18または19に記載の半導体光増幅装置。  20. The semiconductor optical amplifier according to claim 18, wherein the optical waveguide portion and the optical coupler portion other than the semiconductor optical amplifier in the Sagnac type optical interferometer are constituted by a planar dielectric optical circuit. 上記サニャック型光干渉計を構成する光導波路、光カップラー部分、アーム、及び、半導体光増幅器を、半導体によりモノリシックに一体化したことを特徴とする請求項18または19に記載の半導体光増幅装置。  20. The semiconductor optical amplifier according to claim 18, wherein the optical waveguide, the optical coupler portion, the arm, and the semiconductor optical amplifier constituting the Sagnac optical interferometer are monolithically integrated with a semiconductor. 上記サニャック型光干渉計を構成する光導波路、光カップラー部分、及び、アームも、半導体光増幅領域としたことを特徴とする請求項22記載の半導体光増幅装置。  23. The semiconductor optical amplification device according to claim 22, wherein the optical waveguide, the optical coupler portion, and the arm constituting the Sagnac type optical interferometer are also used as a semiconductor optical amplification region.
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