JP3393533B2 - 波長板集積型偏波無依存半導体増幅器 - Google Patents

波長板集積型偏波無依存半導体増幅器

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JP3393533B2 JP17946897A JP17946897A JP3393533B2 JP 3393533 B2 JP3393533 B2 JP 3393533B2 JP 17946897 A JP17946897 A JP 17946897A JP 17946897 A JP17946897 A JP 17946897A JP 3393533 B2 JP3393533 B2 JP 3393533B2
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克明 曲
裕三 吉國
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信,光交換,
光情報処理等に用いる波長板集積型偏波無依存半導体増
幅器に関する。
【0002】
【従来の技術】光通信,光交換,光情報処理といった光
を利用したシステムの構築を考えると、光ファイバや光
導波路,光スイッチ,光受光器,光増幅器等の光素子が
必要不可欠になる。これらの素子は、光ファイバと結合
したり、集積化を行うことで実用的部品にする必要があ
る。集積化することは、μm精度で必要とされる光ファ
イバと半導体素子との光軸合せを省くことができるの
で、堅牢となり、信頼性の増加が予想できる。
【0003】ところで、通常の光ファイバにおいては、
光源からの偏波面を維持する機能は有しておらず、半導
体光スイッチや半導体光増幅器といった光機能素子に入
力される信号光は、環境の変化に応じてその偏波状態が
変動する。
【0004】しかし上記のような半導体デバイスの導波
構造は一般的に等方的でなく、幅が数ミクロンあるのに
対して厚みがサブミクロンオーダであることや、導波層
のスイッチイング特性又は活性層の増幅特性が偏波状態
によって異なる。そのため入力信号光の偏波状態によっ
て出力特性が大きく変動するという課題(利得の偏波依
存性)が生じていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】偏波依存性を低減する
方法として、半導体光増幅器の出射端にλ/4板機能素
子を集積することが考えられる。ここで、入射端には反
射防止膜を、出射端に高反射膜等を付加して反射率を高
めることにより反射型光増幅器として使用する。このと
き出射端で反射された信号光が再びλ/4板を通過する
ので、結局はλ/2板として動作することになり、偏波
面を90°回転することができる。このような構成であ
れば、入射偏波と出射偏波とでは90°異なっているた
め干渉を起こさない。したがって、反防止膜に対する負
荷が軽減される。この波長板といった光学素子はバルク
部品のものがよく利用されている。2つの直交する直線
偏波成分の位相差がπになる板厚を有した波長板をλ/
2板と称する。該λ/2板のサイズは大きく、半導体材
料との整合性が良くないという、問題がある。
【0006】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決する波長
板集積型偏波無依存半導体増幅器は、半導体基板上に作
製された埋め込み構造を有した半導体光増幅器の一方側
端面に埋め込み導波路が集積接続されており、該埋め込
み導波路は二つの第1の導波路と第2の導波路とから構
成され、第1の導波路(長さ:L1 )は半導体光増幅器
の活性層と集積され、第2の導波路(長さ:L2 ,L2
≦L1 )は第1の導波路と平行に位置し、二つの導波路
の中心を結ぶ直線と基板に平行な直線とのなす角を45
°に設定してあり、二つの導波路が有する固有な導波モ
ードの最低次から数えて2つの等価屈折率をn1 及びn
2 (n1 >n2 )とすると、第2の導波路の長さL2
式で定義されていることを特徴とする。
【数2】
【0007】上記波長板集積型偏波無依存半導体増幅器
において、第1の導波路の形状が光学的に等方であるこ
とを特徴とする。
【0008】上記波長板集積型偏波無依存半導体増幅器
において、第1の導波路及び第2の導波路の少なくとも
何れか一方に電流注入を可能とすることを特徴とする。
【0009】[作用]λ/2板は、入射光偏波と波長板
の結晶軸との間のなす角度をθとすれば、出射光偏波を
入射光偏波より2θ回転させる機能を有している。板厚
を位相差πだけずれるように設定すれば、入射偏波を9
0°回転することができる。本発明は、λ/2板におい
て、θ=45°に設定した場合と全く同一の原理に基づ
いて偏波面を回転する機能を半導体で作製し、半導体光
増幅器に集積化している。但し、光増幅器自体を反射型
で使用するため、この波長板の場所を2回通過する。し
たがって、波長板としてはλ/2板の半分に相当するλ
/4板で十分となる。入射光は増幅領域を通過後に波長
板領域を通過し、端面で反射されて波長板部を再び通過
する際には、偏波が90°回転する。したがって、どの
入射偏波に対しても必ずTE(横)偏波利得とTM
(縦)偏波利得とを1回ずつもらうことができるため、
全体として偏波無依存化が可能となる。
【0010】なお、増幅器領域と波長板領域との境界に
達したとき、直交する二方向の波の間に位相差が生じて
はならない(直線偏波でないといけない。)。そのた
め、光増幅器領域における導波路は光学的に等方でなけ
ればならない。
【0011】
【発明の実施の形態】次に、本発明の好適な実施の形態
を図面を参照して説明するが、本発明はこれらに限定さ
れるものではない。
【0012】<第1の実施の形態>図1は、本発明の第
1の実施の形態にかかる半導体偏波回転素子の斜視図で
ある。図2(a)は図1の波長板の機能を有する領域の
拡大図であり、図2(b)はその側面断面図であり、図
3は領域Bにおける断面図である。ここで、符号11は
InP基板、12はInP埋め込み層、21はバンドギ
ャップ波長1.3 μm帯のInGaAsP導波層(第1の
導波路)、22はバンドギャップ波長1.1 μm帯のIn
GaAsP導波層(第2の導波路)を各々図示する。
【0013】本素子の動作原理を簡単に示す。ここで、
半導体光増幅器の一経路当たりの増幅利得として、TE
(横)偏波をGTE、TM(縦)偏波をGTMとする。x方
向に電界成分を有するTE偏波光が入射された状態で
は、先ずGTEの利得を光増幅器領域でもらう。入射光が
λ/4板領域に入ると、領域Aを入射してきた光はTE
偏波を保持したまま領域Bに侵入する。この領域Bでは
結晶の主軸(二つの導波路を結ぶ線)が図3に示される
ように、第1の導波路21の光の主軸(x軸)と直交す
る方向と第1の導波路21と第2の導波路22とを結ぶ
軸とのなす角度(θ)が45°ずれていることになる。
領域Bにおける固有な導波モードの有する最低次から数
えて二つの等価屈折率をn1 及びn2 ((n1 >n2
としてその長さLを、下記数式に設定することで、先に
述べたλ/2板の原理に基づいて反射された光が領域B
の入口で偏波が90°回転してTM偏波となって出射さ
れることになる。
【数3】
【0014】したがって、TE偏波光として行きにGTE
の利得を受け、TM偏波光として戻る際にGTMの利得を
受ける。すなわち、全体として(GTE+GTM)の利得を
もらって出射される。
【0015】一方、TM偏波が入射された場合に関して
も同様である。すなわち、TM偏波光として行きにGTM
の利得を受け、波長板領域で偏波が90°回転してTE
偏波光として戻る際にGTEの利得を受ける。すなわち、
全体として(GTE+GTM)の利得をもらって出射され
る。
【0016】このようにどちらの入射状態でも同じ利得
(TE利得とTM利得を一回ずつ)を得ることになり、
偏波依存性を解消することができる。実際には、加工精
度の問題により、波長1.55μmの入射光に対して83度
の偏波回転を実現した。
【0017】なお、第1の導波路を伝搬してきた波の進
行速度がx方向とy方向とで異なると、進行した波が光
増幅器領域とλ/4板領域との境界に達したとき、二方
向の波の間に位相差が生じるため、直線偏波にならな
い。そのため、λ/4板領域で所望の効果が得られな
い。よって、第1の導波路21は光学的に等方でなけれ
ばならない。
【0018】ここで、光学的等方について概説する。真
空中で光の波長及び物質の長さをそれぞれλ及びLで表
すとする。屈折率nの媒質中では光学的波長や光学的長
さはλ/n及びnLになる。そのため、図4(a)に示
すように、真空中では正方形状でないと、等方ではない
が、媒質中では図4(b)に示すように、上下左右を異
なった材質(nC1, nC2, nC2, nC1)で囲むことによ
り、ほぼ等方な状況を実現することができる。具体的に
は、半導体光増幅器の偏波依存性はx方向とy方向とで
閉じ込め係数の相違が原因で起こる。そこで、作製精度
の問題から長方形状(横長)でも、活性層部を縦方向に
三層(LOC)構成とすることで、偏波無依存化が可能
となる。
【0019】<第2の実施の形態>図5は本発明の第2
の実施の形態にかかる、半導体偏波回転素子の側面断面
図である。図2の構造に対して、上下に電極31,32
を設けていることが第1の実施の形態と異なる。これら
二つの電極31,32を用いて電流を注入することにい
より導波層21,22の屈折率を変化することができる
ため、トリミングが可能となる。
【0020】この結果、第1の実施の形態と較べて回転
精度を向上でき、波長1.55μmの入射光に対して85度
の偏波回転を実現した。この場合、電極は領域Bだけに
することも可能である。また各領域に電極を設け、領域
間で電気分離を行うことも可能である。さらに、導波層
21,22の少なくとも一方にだけ電流注入できるよう
に電極を部分的に設けることも可能である。
【0021】さらに、導波層構造に超格子構造を用いる
ことも可能であるし、導波層部を導波層よりもバンドギ
ャップ波長の短い組成で挟んだSCH構造を採用するこ
とも可能である。
【0022】本実施の形態においては、InP基板上の
InGaAsP材料系について説明したが、本発明はこ
れに限定されるものではなく、他の材料を用いることに
よっても、同様な効果を得ることができる。また、ドー
ピング層等も任意である。
【0023】また、二つの導波路の位置関係としては、
どちらが左右,上下であっても構わず、図3に示すよう
に、なす角θが45°であることのみ重要である。
【0024】この二つの導波路として組成が異なるもの
を実施の形態では例にして説明したが、組成の同じもの
を用いて、寸法を調節することも可能である。
【0025】さらに、導波層構造に超格子構造を用いる
ことも可能であるし、導波層部を導波層よりもバンドギ
ャップ波長の短い、組成で挟んだSCH構造を採用する
ことも可能である。
【0026】また第2の実施の形態で導波層22若しく
は導波層21と導波層22の両方をバンドギャップ波長
1.55μm帯のInGaAsP導波層とすれば、電流注入
により光増幅器として動作させることができる。
【0027】
【発明の効果】以上、実施の形態と共に説明したよう
に、本発明の半導体光増幅器では、半導体基板上に作製
された埋め込み構造を有した半導体光増幅器の一方側端
面に埋め込み導波路が集積接続されており、その埋め込
み導波路は二つの導波路(第1の導波路,第2の導波
路)から構成され、第1の導波路(長さ:L1 )は半導
体光増幅器の活性層と集積され、第2の導波路(長さ:
2 ,L2 ≦L1 )は第1の導波路と平行に位置し、二
つの導波路の中心を結ぶ直線と基板に平行な直線とのな
す角を45°に設定してあり、二つの導波路が有する固
有な導波モードの最低次から数えて2つの等価屈折率を
1 及びn2 (n1 >n2 )とすると、第2の導波路の
長さL2 が式(1)で定義されていることを特徴とし、
さらには、第1の導波路及び第2の導波路の少なくとも
どちらか一方に電流注入を可能とする電極構造が設置さ
れているようにしたので、半導体光増幅器の偏波依存性
の解消に有効な偏波制御デバイスを実現することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の半導体偏波回転素
子の斜視図である。
【図2】(a)は図1の波長板の気相を有する領域の拡
大図であり、(b)はその側面図である。
【図3】領域Bにおける断面図である。
【図4】光学的等方に関する説明図である。
【図5】本発明の第2の実施の形態の半導体偏波回転素
子の側面断面図である。
【符号の説明】
1 活性層 11 InP基板 12 InP埋め込み層 21 バンドギャップ波長1.3 μm帯のInGaAsP
層(第1の導波路) 22 バンドギャップ波長1.3 μm帯のInGaAsP
層(第2の導波路) 31,32 電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 敏夫 東京都新宿区西新宿三丁目19番2号 日 本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平5−257020(JP,A) 特表 平9−508723(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/065 G02B 6/122 G02F 1/025

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に作製された埋め込み構造
    を有した半導体光増幅器の一方側端面に埋め込み導波路
    が集積接続されており、 該埋め込み導波路は二つの第1の導波路と第2の導波路
    とから構成され、第1の導波路(長さ:L1 )は半導体
    光増幅器の活性層と集積され、第2の導波路(長さ:L
    2 ,L2 ≦L1 )は第1の導波路の導波方向と平行に位
    置し、 二つの導波路の中心を結ぶ直線と基板に平行な直線との
    なす角を45°に設定してあり、 二つの導波路が有する固有な導波モードの最低次から数
    えて2つの等価屈折率をn1 及びn2 (n1 >n2 )と
    すると、 第2の導波路の長さL2 が式で定義されていることを特
    徴とする波長板集積型偏波無依存半導体増幅器。 【数1】
  2. 【請求項2】 請求項1において、 第1の導波路の形状が光学的に等方であることを特徴と
    する波長板集積型偏波無依存半導体増幅器。
  3. 【請求項3】 請求項1において、 第1の導波路及び第2の導波路の少なくとも何れか一方
    に電流注入を可能とすることを特徴とする波長板集積型
    偏波無依存半導体増幅器。
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JP6226427B2 (ja) * 2014-05-15 2017-11-08 日本電信電話株式会社 偏波回転素子

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