JPH03284892A - 光増幅装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 本発明は光増幅装置として用いられる半導体レーザに関
し、 バイアス電流として印加するエネルギ量を増加させるこ
となく飽和出力を高めると共に必要な利得を得ることを
目的とし、 レーザ活性層の外部光入力側は、例えば活性層断面積を
大にすることにより、閉じ込められるキャリヤ数を多く
することで必要な利得を確保し、活性層の誘導放出光出
力側は、例えば活性層断面積を小にすることにより、閉
じ込められるキャリヤの密度を高めることで飽和出力を
向上させる構造を備えて構成する。

上記キャリヤ数或いはキャリヤ密度の条件を実現する他
の有効な構造は、励起電流注入電極を入力側と出力側に
分割して設け、出力側のバイアス電流を独立に増加させ
ることにより該領域のキャリヤ密度を高めるもので、雑
音を抑えて飽和出力を向上させることが可能になる。

〔産業上の利用分野〕

本発明は光通信に於いて光増幅装置として用いられる半
導体レーザに関わり、特に同種レーザの飽和出力を向上
させる構造に関わる。

長距離光通信では、光信号伝送路として用いるファイバ
の損失が大きくなるため、これを補償する増幅器を中継
器として設けることが必要である。

この中継器として半導体レーザ増幅器を用いると、光信
号を一旦電気信号に変換し、これを増幅した後再び光信
号に変換するという手間をかけることなしに、伝送損失
を補償することができる。

このような簡便な方法で所期の目的を達成するには、増
幅器として用いる半導体レーザが低雑音であり飽和出力
も高いものであることが要求される。

半導体レーザを光増幅器として用いる通常の方式は、発
振闇値以下のバイアス電流を印加しておき、活性層の一
方の端から信号光を入射させるものであって、光入力に
よってキャリヤの閉じ込めによる誘導放出が起こり、入
力光に応じた出力光が活性層の他端から出力されるもの
である。

レーザの活性層の断面積やバイアス電流が均一である場
合は、入力側から出力側に向かって光強度が増加するた
め、利得が高い時やレーザの出力容量が不足する時には
、出力側で発光強度が飽和することになる。

中継器と中継器の間の伝送距離を長くするためには、十
分な利得を持つと共に飽和までの出力が大であることが
要求されるが、その他、伝送路を分岐させる際の強度低
下を補償するための予備増幅器として利用する場合も、
利得と飽和出力が大であることが必要である。

単にレーザの飽和出力を高めるだけであれば活性層の断
面積を増加させ、バイアス電流を増せばよいのであるが
、それだけでは発熱や雑音も同時に増加するので、この
ような問題を生じることなく飽和時の出力を増加させる
技術が求められている。

〔従来の技術〕

飽和出力を高めるために通常採られる方策は、光導波路
の構造や寸法を最適化することであり、光導波路の形状
や動作時の状態は入力側から出力側まで均等であること
が多い。しかし、特開平１−１０９７８９号公報および
特開平１−２６８０８４号公報に開示された光増幅器で
は、レーザの光導波路即ちレーザの活性層の形状は入力
側と出力側で異なった形状となっている。

これ等の公開特許公報に開示された半導体レーザの構造
は、基本的には、光出力側の活性層の断面積を光入力側
の活性層の断面積より大とするものであり、それによっ
て十分な利得と光出力が得られるというものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

半導体レーザを光増幅に利用する場合、飽和出力や利得
、雑音などに就いて満たすべき要求値があり、それに従
ってレーザを設計する時には、共通のパラメータによっ
てこれ等諸量の相互関係を解析的に理解しておくと好都
合である。

半導体レーザを光増幅に利用する場合の全エネルギＪと
光出力との関係は次のように表現することが出来る。

Ｊ＝Ｒ＋Ｓ、、＋Ｓ、、・−−−−−−−−−−−−−
−−（１）ここで、Ｒは光発生以外に消費されるエネル
ギ、Ｓ□は入力光には無関係に発生する自然放出光で光
通信の雑音成分、Ｓｓ９は入力光に応答して発生する光
である。　Ｒ＋　Ｓ　ｓ９およびＳ　ｓｇはいづれも、
Ｊに相応して活性層に生ずるキャリヤ密度Ｎに関連する
量であるが、Ｓ　ｓｗを利得Ｇと光入力Ｓ　ｉｎとの積
と見れば＜　Ｓ　１９　＝　Ｇ　Ｘ　Ｓ　ｉ　ｆｉ）、
ＧがＮに関連することになる。

光増幅器としての動作では、入力と出力の関係を一定に
保持するためバイアス電流は固定されており、Ｊははり
一定と見てよいから、入力が小の時にはＮはＲとＳ　ｓ
ｐで定まり、従って利得Ｇも一定となるのに対し、Ｓ　
、ｎが大になるとＮも変化するため、結果的にＧが減少
することになり、光出力に飽和の傾向が現れる。即ち、
Ｎが大であるほどＳｉイの影響を受は難く、光出力は飽
和し難いことになるが、同時に（１）式のＲが大となり
、発熱が増えるので、温度上昇のため利得が下がるとい
う負の効果にも配慮しなければならない。

利得Ｇはキャリヤ密度Ｎに関連する量であるが、直接に
は、キャリヤ密度ではな（キャリヤ数に比例するので、
利得を高くするにはバイアス電流を増すか、活性層の断
面積を大にすることが有効である。

一方、雑音について考えると、Ｓ／Ｎは誘導放出光に対
する自然放出光の比であるから、キャリヤ密度が大であ
るほど誘導放出光が増し、Ｓ／Ｎが改善されることにな
る。従って、利得を上げる目的で活性層断面積を大にす
る場合には、キャリヤ密度Ｎを高く維持することが必要
となる。

光増幅器の動作を解析する場合、光の閉じ込め率をパラ
メータとする方法も、装置の改善に有効なことがある。

閉じ込め率とは活性層内の光強度と活性層周囲に滲み出
した光の強度との比率であって、光の全強度を同じにし
て活性層の断面積を小にすると、閉じ込め率は下がるが
、滲み出した光の強度の増加によって飽和出力の低下は
殆ど起こらないことも注目すべき点である。

以上の考察をまとめると、飽和出力を大にし、低雑音で
高い利得を実現するには、基本的にはキャリヤ密度を増
すことになるが、発熱その他の制約的条件が存在する場
合には、閉じ込め率を小にすることが有効な場合もある
、ということになる。

一方、前記再公開特許公報には発明の効果をこのような
観点から解析した説明は記載されておらず、活性層断面
積の増加が光出力の飽和を抑制することは自明であると
して発明の効果が述べられているにすぎない。また、雑
音の抑制については何の説明もなされていない。

これ等の先行技術の光増幅装置が当該特許公報に記載さ
れているような効果を生ずるとすれば、それは専ら活性
層断面積が大となる出力端近傍で生じたものと考えられ
る。即ち、この領域での活性層断面積の増加がレーザの
大型化と同じ効果をもたらし、飽和出力が増大したもの
であり、更に、該領域に励起電流が集中する結果、キャ
リヤ数が増加して利得も向上したと推測される。

従って、該先行発明で入力側の活性層断面積が小である
ことは、この部分では光強度が小であり、飽和の問題と
は無縁であるから小であっても構わないという意味しか
なく、無用のエネルギ消費を避けることで副次的な効果
を生じているにすぎない。

このように考えると、上記両先行発明の光増幅器は光飽
和出力の増強と雑音抑制の観点からすれば、最適の構造
を備えているとは言い難いことになる。

本発明の解決すべき課題は、必要な利得と飽和出力を備
えた光増幅器であって、而も雑音発生の少ない光増幅器
を提供することである。

〔課題を解決するための手段］ 上記課題を解決した光増幅器である本発明の半導体レー
ザは、 レーザ活性層の外部光入力側は活性層断面積を大にして
必要な利得を確保し、活性層の誘導放出光出力側は閉じ
込められたキャリヤ密度を高めるための構造をとするこ
とで構成する。

該キャリヤ密度を高めるために有効な他の構造は励起電
流注入電極を入力側と出力側に分割するもので、出力側
のバイアス電流を独立に増加させることによって出力側
のキャリヤ密度をだけを高めることが出来るようになる
。

〔作　用〕

本発明の半導体レーザは、要求される機能を光入力側と
光出力側に分担させたものと考えることが出来る。即ち
、入力側は低雑音で高い利得を備えたものであり、出力
側は専ら飽和出力を向上させる構造を備えたものとなっ
ている。以下、夫々の部分について上記機能を備えるた
め採られた構造とその効果を説明する。

該半導体レーザの入力側は、活性層の断面積とキャリヤ
密度を調整することによって要求される利得を実現して
いる。既に述べたように、利得を高めるには活性層に閉
じ込められたキャリヤの数を増せば良く、キャリヤ密度
を上げない場合には活性層の断面積を増すことでキャリ
ヤ数を増すことができる。光通信用の光増幅器として用
いる場合、要求値以上の増幅度は不要であり、要求され
た利得に合わせて必要な活性層断面積とキャリヤ密度が
設定される。

これに対し出力側では高い利得は不要であり、専ら飽和
出力を向上させればよいのであるから、キャリヤ密度を
上げることが主たる目標となる。

そのためには活性層断面積を減らすことが有利に作用す
る。活性層断面積の減少は光閉じ込め率を低下させるが
、滲み出した光が多量に存在することにより飽和出力は
増すことになる。この場合、キャリヤ密度は少なくも低
下させないことが必要であるが、キャリヤの総数は入力
側と出力側とで異なるから、バイアス電流は領域毎に独
立して制御し得ることが望ましい。

活性層の形状を変えることな（上記の目的を達成するに
は、入力側に比べ、出力側のバイアス電流を大とするこ
とも有効である。バイアス電流を増し、キャリヤ密度を
高くすれば、前記（１）式に於けるＳ　ｓｇの影響が小
となって飽和出力が増すことになる。バイアス電流の増
加は発熱の増加をもたらすが、限定された領域の発熱増
であれば、その影響を軽微なものに止めることは容易で
ある。

本発明の半導体レーザの構造は次の２項目即ち、（ａ）
活性層断面積は出力側が入力側より小である、（ｂ）入
力側と出力側とで独立した電極が設けられている、 の一方或いは双方に従うものとなっているが、上に説明
した通り、この構成によって前記目的を達成している。

以上の本発明の作用効果の説明は、半導体レーザの領域
を２つに分けて行われているが、機能を分担させるとい
う基本に従う限り分割数はそれ以上であってもよく、更
には形状を連続的に変化させることによっても目的を達
成し得ることは当業者の容易に理解するところであろう
。なお、項目ら）は他の構造を採ることによって所望の
キャリヤ密度分布が実現される場合にはその構造で代行
してもよい。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１の実施例である半導体レーザの構
造を模式的に示す図であり、同図（ａ）は導波路の軸を
含む垂直面で切断した断面を示す図、同図（ｂ）は導波
路の軸を含む水平面で切断した断面を示す図である。以
下、該図面を参照しながらその特徴とするところを説明
する。

図中、１は半導体レーザ本体であり、２は活性層、３ａ
および３ｂは電極である。同図（ａ）から明らかなよう
に電極が分割して設けられていることから、信号光入力
側と出力側に夫々独立にバイアス電流を供給することが
でき、必要な利得と飽和出力を実現するように動作させ
ることが可能である。

また、同図ら）に見られるように、該半導体レーザの活
性層は領域２ａと２ｂでその幅を異にしており、これも
各領域が分担する機能即ち利得の確保と飽和出力の向上
に適した寸法が選択されている。活性層の寸法の一例を
挙げ軌ば、積層方向の厚さが０．１μｍの場合、入力側
の幅は１．５μｍであり、出力側の幅は１．０μｍであ
る。また、活性層の全長は３００μｍ、材料は信号光の
波長が１．３μｍ或いは１．５５μｍであればＩ　ｎＧ
ａＡｓ　Ｐである。

その他の部分を構成する半導体層の材料は通常のものと
同じであり、例えば基板１はＩｎＰ、クラッド層４はＩ
ｎＧａＡｓ、ｐ型クラッド層５はＩｎＰであり、ＭＯＶ
ＰＥ法によって形成される。

本実施例では活性層の断面積を横幅を変えることで変化
させているが、横幅を一定にして厚さを変えても良いこ
とは勿論である。その場合の一例は、幅カ月、０μｍ、
入力側の厚さは０．１μｍ、出力側のそれは０．０８μ
ｍである。

これ等の特徴的な部分以外は通常の半導体レーザと同じ
であり、本発明の半導体レーザもその設計基準に準拠し
て設計され、通常の方法に従って製造される。

第２図は本発明の第２の実施例の半導体レーザの構造を
模式的に示す図である。以下、該図面を参照しながら、
本実施例を説明する。

第２図に明示されているように、本実施例の半導体レー
ザはバイアス電流を注入するための電極が複数に分割さ
れている。ここでは活性層の断面積は入力側から出力側
まで一様であり、２が活性層、３□３ｂ〜３，１は電極
である。

バイアス電流は入力側の端部で最小であり、次第に増加
して出力側の端部で最大となっている。

このようにバイアス電流を分布させることによって各領
域に機能を分担させ、要求される利得と最大飽和出力を
実現している。

既に述べたように本発明の基本は、利得を稼ぐ部分と、
飽和出力を増大させる部分とを分け、夫々に最適の構造
と動作条件を持たせるものであり、この分割数は２或い
はそれ以上であって上限は無く、連続的に変化するもの
であっても良い。

更に、各領域に所定の動作条件を与えるための手段は、
電極を分割せずに形状だけを変化せるものであっても良
く、半導体レーザの電流狭窄構造を変化させるものであ
っても良い。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の光増幅装置は、光通信用の
光増幅器として要求される緒特性を過不足無く実現する
に適したものであり、低雑音で低消費電力の光中継器が
実現することになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す模式図、第２図は
本発明の第２の実施例を示す模式図である。 図に於いて ■は半導体レーザ、 ２．２ａ、２ｂは活性層、 ３ａ、３ｂ、〜３ｎは電極 ４はクラッド層、 ５はｐ型クラッド層 である。 ４辛べ 丁：可 （ａ）垂直断面図 （ｂ）水平断面図 本発明の第１の実施例を示す模式図 第１図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）励起電流の注入と外部光の入力によって特定波長
   光を誘導放出する活性領域を備えた半導体光増幅装置で
   あって、 光増幅装置として作動する際に該活性領域の誘導放出光
   出力側部分に閉じ込められるキャリヤの密度と、該活性
   領域の外部光入力側部分に閉じ込められるキャリヤの密
   度とを独立に制御する手段を有する構造であることを特
   徴とする光増幅装置。
2. （２）前記活性領域の誘導放出光出力側部分の断面積を
   外部光入力側部分の断面積より小とすることによって、
   前記誘導放出光出力側部分の活性領域の光閉じ込め率を
   小とすることを特徴とする請求項１の光増幅装置。
3. （３）前記光導波路の誘導放出光出力側部分に励起電流
   を注入するための電極と該活性領域の外部光入力側部分
   に励起電流を注入するための電極とが独立して設けられ
   ていることを特徴とする請求項１の光増幅装置。
4. （４）前記活性領域の外部光入力側部分の断面積が誘導
   放出光出力側部分の断面積より大であると共に、 前記活性領域の誘導放出光出力側部分に励起電流を注入
   するための電極と該活性領域の外部光入力側部分に励起
   電流を注入するための電極とが独立して設けられている
   ことを特徴とする請求項１の光増幅装置。