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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2020-155540(P2020-155540A)
(43)【公開日】2020年9月24日
(54)【発明の名称】半導体光増幅器
(51)【国際特許分類】
H01S 5/50 20060101AFI20200828BHJP
【ＦＩ】
H01S5/50 610
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
【全頁数】22
(21)【出願番号】特願2019-51521(P2019-51521)
(22)【出願日】2019年3月19日
(71)【出願人】
【識別番号】000000572
【氏名又は名称】アンリツ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100072604
【弁理士】
【氏名又は名称】有我 軍一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100140501
【弁理士】
【氏名又は名称】有我 栄一郎
(72)【発明者】
【氏名】吉田谷 弘明
【テーマコード（参考）】
5F173
【Ｆターム（参考）】
5F173AA26
5F173AA48
5F173AF32
5F173AH14
5F173AP05
5F173AP32
5F173AR13
5F173AS01
(57)【要約】
【課題】信号光の帯域以外のＡＳＥを低減することにより、ＡＳＥ間のビート雑音と、信号光とＡＳＥとの間のビート雑音とを低減してＮＦを減少させることができる半導体光増幅器を提供する。【解決手段】半導体基板１１と、半導体基板１１上に積層された活性層１４を含み、入射端面１ａから入射された信号光を導波するとともに増幅して出射端面１ｂから出射する光導波路３０と、活性層１４の近傍に形成され、特定の反射波長帯域の光を選択的に反射する複数の回折格子３２と、を備え、反射波長帯域の中心波長は信号光の波長と異なっており、複数の回折格子３２は、光導波路３０で発生する自然放出光のうち各回折格子３２の反射波長帯域の光を、光導波路３０の信号光の導波方向と異なる方向に反射する。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体基板（１１）と、
前記半導体基板上に積層された活性層（１４）を含み、入射端面（１ａ）から入射された信号光を導波するとともに増幅して出射端面（１ｂ）から出射する光導波路（３０）と、
前記活性層の近傍に形成され、特定の反射波長帯域の光を選択的に反射する複数の回折格子（３１，３２）と、を備え、
前記反射波長帯域の中心波長は前記信号光の波長と異なっており、
前記複数の回折格子は、前記光導波路で発生する自然放出光のうち各前記回折格子の前記反射波長帯域の光を、前記光導波路の前記信号光の導波方向と異なる方向に反射することを特徴とする半導体光増幅器。
前記半導体基板上に積層された活性層（１４）を含み、入射端面（１ａ）から入射された信号光を導波するとともに増幅して出射端面（１ｂ）から出射する光導波路（３０）と、
前記活性層の近傍に形成され、特定の反射波長帯域の光を選択的に反射する複数の回折格子（３１，３２）と、を備え、
前記反射波長帯域の中心波長は前記信号光の波長と異なっており、
前記複数の回折格子は、前記光導波路で発生する自然放出光のうち各前記回折格子の前記反射波長帯域の光を、前記光導波路の前記信号光の導波方向と異なる方向に反射することを特徴とする半導体光増幅器。
【請求項2】
前記光導波路の前記信号光の導波方向が少なくとも前記入射端面もしくは前記出射端面の法線方向に対して傾いており、
各前記回折格子のピッチ方向が前記入射端面及び前記出射端面の法線方向に平行であることを特徴とする請求項１に記載の半導体光増幅器。
各前記回折格子のピッチ方向が前記入射端面及び前記出射端面の法線方向に平行であることを特徴とする請求項１に記載の半導体光増幅器。
【請求項3】
前記複数の回折格子は、前記光導波路の前記信号光の導波方向に沿って連続的に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体光増幅器。
【請求項4】
前記光導波路の前記信号光の導波方向に沿った前記複数の回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して昇順又は降順であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体光増幅器。
【請求項5】
前記複数の回折格子は、前記光導波路の前記信号光の導波方向に沿ってＮ個形成されており、
前記入射端面側の１番目からｎ番目までのｎ個の前記回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して昇順であり、
ｎ＋１番目からＮ番目までの（Ｎ−ｎ）個の前記回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して降順であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体光増幅器。
前記入射端面側の１番目からｎ番目までのｎ個の前記回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して昇順であり、
ｎ＋１番目からＮ番目までの（Ｎ−ｎ）個の前記回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して降順であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体光増幅器。
【請求項6】
前記複数の回折格子は、前記光導波路の前記信号光の導波方向に沿ってＮ個形成されており、
前記入射端面側の１番目からｎ番目までのｎ個の前記回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して降順であり、
ｎ＋１番目からＮ番目までの（Ｎ−ｎ）個の前記回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して昇順であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体光増幅器。
前記入射端面側の１番目からｎ番目までのｎ個の前記回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して降順であり、
ｎ＋１番目からＮ番目までの（Ｎ−ｎ）個の前記回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して昇順であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体光増幅器。
【請求項7】
前記複数の回折格子は、前記光導波路の前記信号光の導波方向に沿ってＮ個形成されており、
前記入射端面側の１番目からｎ番目までのｎ個の前記回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して昇順であり、
ｎ番目の前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長は、ｎ＋１番目の前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長よりも大きく、
ｎ＋１番目からＮ番目までの（Ｎ−ｎ）個の前記回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して昇順であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体光増幅器。
前記入射端面側の１番目からｎ番目までのｎ個の前記回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して昇順であり、
ｎ番目の前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長は、ｎ＋１番目の前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長よりも大きく、
ｎ＋１番目からＮ番目までの（Ｎ−ｎ）個の前記回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して昇順であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体光増幅器。
【請求項8】
前記複数の回折格子は、前記光導波路の前記信号光の導波方向に沿ってＮ個形成されており、
前記入射端面側の１番目からｎ番目までのｎ個の前記回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して降順であり、
ｎ番目の前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長は、ｎ＋１番目の前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長よりも小さく、
ｎ＋１番目からＮ番目までの（Ｎ−ｎ）個の前記回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して降順であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体光増幅器。
前記入射端面側の１番目からｎ番目までのｎ個の前記回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して降順であり、
ｎ番目の前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長は、ｎ＋１番目の前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長よりも小さく、
ｎ＋１番目からＮ番目までの（Ｎ−ｎ）個の前記回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して降順であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体光増幅器。
【請求項9】
前記複数の回折格子は、前記活性層の上方及び下方に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の半導体光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体光増幅器に関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、光を電気信号に変換せずに直接増幅する光増幅器として、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier：ＳＯＡ）が知られている。ＳＯＡは、小型で広い波長帯域にわたって光を増幅できるという利点を有しており、光通信システムなどに用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【0003】
特に、長距離光ファイバ中を伝送されて減衰した光信号を増幅する目的で用いられるプリアンプとしてのＳＯＡにおける重要な指標として雑音指数（Noise Figure：ＮＦ）がある。ＮＦは、ＳＯＡへの入力信号の信号対雑音比（Signal-to-Noise Ratio：ＳＮ比）と、ＳＯＡからの出力信号のＳＮ比との比率をデシベル表示した値であり、この値が低いほどＳＯＡに起因する雑音成分が少ないことを意味する。
【0004】
図２７は、特許文献１に開示されたＳＯＡの増幅された自然放出光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）スペクトラムの一例を示すグラフである。実線はＴＭモードのＡＳＥスペクトラム、破線はＴＥモードのＡＳＥスペクトラムを示している。このグラフから分かるように、特許文献１に開示されたＳＯＡはほぼ偏波無依存の増幅動作特性を実現している。
【0005】
ＳＯＡの雑音は、ＡＳＥ間のビート雑音と、信号光とＡＳＥとの間のビート雑音が支配的である。よって、ＮＦを向上させるためには、これらのビート雑音を低減する必要がある。ＳＯＡのビート雑音を低減するために、従来より、ＳＯＡの出力光のスポットサイズ変換を行って光導波路と光ファイバとの光結合効率を向上させる試みや、光閉じ込め係数を低減することによりＳＯＡ内の光損失を低減する試みなどが行われてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特許第６０６２８４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、近年、長距離のデータセンタ間において光通信の伝送容量の大容量化が求められているのに伴ってＳＯＡにおけるＮＦの低減がより重要になっており、上述の従来のＮＦの低減方法はその要求に十分に応えられなくなっているという問題があった。
【0008】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、信号光の帯域以外のＡＳＥを低減することにより、ＡＳＥ間のビート雑音と、信号光とＡＳＥとの間のビート雑音とを低減してＮＦを減少させることができる半導体光増幅器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体光増幅器は、半導体基板と、前記半導体基板上に積層された活性層を含み、入射端面から入射された信号光を導波するとともに増幅して出射端面から出射する光導波路と、前記活性層の近傍に形成され、特定の反射波長帯域の光を選択的に反射する複数の回折格子と、を備え、前記反射波長帯域の中心波長（すなわち、ブラッグ波長）は前記信号光の波長と異なっており、前記複数の回折格子は、前記光導波路で発生する自然放出光（ＡＳＥ）のうち各前記回折格子の前記反射波長帯域の光を、前記光導波路の前記信号光の導波方向と異なる方向に反射する構成である。
【0010】
この構成により、本発明に係る半導体光増幅器は、光導波路で生じて増幅されたＡＳＥを、複数の回折格子により光導波路の外に回折させることにより、信号光の帯域以外のＡＳＥを低減することができる。これにより、本発明に係る半導体光増幅器は、ＡＳＥ間のビート雑音と、信号光とＡＳＥとの間のビート雑音とを低減してＮＦを減少させることができる。
【0011】
また、本発明に係る半導体光増幅器においては、前記光導波路の前記信号光の導波方向が少なくとも前記入射端面もしくは前記出射端面の法線方向に対して傾いており、各前記回折格子のピッチ方向が前記入射端面及び前記出射端面の法線方向に平行であってもよい。
【0012】
この構成により、本発明に係る半導体光増幅器は、各回折格子のピッチ方向が光導波路の光の導波方向に対してゼロではない角度を成すため、光導波路で発生するＡＳＥを信号光の導波方向と異なる方向に反射させて、出射端面から出射されるＡＳＥを低減することができる。
【0013】
また、本発明に係る半導体光増幅器においては、前記複数の回折格子は、前記光導波路の前記信号光の導波方向に沿って連続的に形成されていてもよい。
【0014】
また、本発明に係る半導体光増幅器においては、前記光導波路の前記信号光の導波方向に沿った前記複数の回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して昇順又は降順であってもよい。
【0015】
また、本発明に係る半導体光増幅器においては、前記複数の回折格子は、前記光導波路の前記信号光の導波方向に沿ってＮ個形成されており、前記入射端面側の１番目からｎ番目までのｎ個の前記回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して昇順であり、ｎ＋１番目からＮ番目までの（Ｎ−ｎ）個の前記回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して降順であってもよい。
【0016】
また、本発明に係る半導体光増幅器においては、前記複数の回折格子は、前記光導波路の前記信号光の導波方向に沿ってＮ個形成されており、前記入射端面側の１番目からｎ番目までのｎ個の前記回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して降順であり、ｎ＋１番目からＮ番目までの（Ｎ−ｎ）個の前記回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して昇順であってもよい。
【0017】
また、本発明に係る半導体光増幅器においては、前記複数の回折格子は、前記光導波路の前記信号光の導波方向に沿ってＮ個形成されており、前記入射端面側の１番目からｎ番目までのｎ個の前記回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して昇順であり、ｎ番目の前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長は、ｎ＋１番目の前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長よりも大きく、ｎ＋１番目からＮ番目までの（Ｎ−ｎ）個の前記回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して昇順であってもよい。
【0018】
また、本発明に係る半導体光増幅器においては、前記複数の回折格子は、前記光導波路の前記信号光の導波方向に沿ってＮ個形成されており、前記入射端面側の１番目からｎ番目までのｎ個の前記回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して降順であり、ｎ番目の前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長は、ｎ＋１番目の前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長よりも小さく、ｎ＋１番目からＮ番目までの（Ｎ−ｎ）個の前記回折格子の配置順序は、各前記回折格子の前記反射波長帯域の中心波長に関して降順であってもよい。
【0019】
また、本発明に係る半導体光増幅器においては、前記複数の回折格子は、前記活性層の上方及び下方に形成されていてもよい。
【発明の効果】
【0020】
本発明は、信号光の帯域以外のＡＳＥを低減することにより、ＡＳＥ間のビート雑音と、信号光とＡＳＥとの間のビート雑音とを低減してＮＦを減少させることができる半導体光増幅器を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】本発明の第１の実施形態に係る半導体光増幅器の構成を示す斜視図である。
【図2】（Ａ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体光増幅器の構成を示す平面図（その１）であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線断面図（その１）である。
【図3】本発明の第１の実施形態に係る半導体光増幅器が備える複数の回折格子の反射スペクトルの例を個別に示すグラフである。
【図4】１３個の回折格子の場合の反射スペクトルの和の例を示すグラフである。
【図5】本発明の第１の実施形態に係る半導体光増幅器が備える光導波路の出射端面付近の拡大平面図であり、（Ａ）は直線導波路、（Ｂ）はフレア導波路、（Ｃ）はテーパ導波路を示している。
【図6】本発明の第１の実施形態に係る半導体光増幅器が備える複数の回折格子により反射された光のうち光導波路に戻る光のパワーを示すグラフである。
【図7】（Ａ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体光増幅器が備える複数の回折格子が順配列で配置された場合の各回折格子の透過率を示すグラフであり、（Ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体光増幅器が備える複数の回折格子が逆配列で配置された場合の各回折格子の透過率を示すグラフである。
【図8】（Ａ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体光増幅器が備える複数の回折格子が順配列で配置された場合のＡＳＥスペクトルを示すグラフであり、（Ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体光増幅器が備える複数の回折格子が逆配列で配置された場合のＡＳＥスペクトルを示すグラフである。
【図9】本発明の第１の実施形態に係る半導体光増幅器が備える複数の回折格子が回帰型配列で配置された場合の各回折格子の透過率を示すグラフである。
【図10】本発明の第１の実施形態に係る半導体光増幅器が備える複数の回折格子が繰返し型配列で配置された場合の各回折格子の透過率を示すグラフである。
【図11】（Ａ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体光増幅器が備える複数の回折格子が回帰型配列で配置された場合のＡＳＥスペクトルを示すグラフであり、（Ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体光増幅器が備える複数の回折格子が反転回帰型配列で配置された場合のＡＳＥスペクトルを示すグラフである。
【図12】（Ａ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体光増幅器が備える複数の回折格子が繰返し型配列で配置された場合のＡＳＥスペクトルを示すグラフであり、（Ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体光増幅器が備える複数の回折格子が反転繰返し型配列で配置された場合のＡＳＥスペクトルを示すグラフである。
【図13】本発明の第１の実施形態に係る半導体光増幅器において、各回折格子の領域長と、回折格子の個数と、複数の回折格子のブラッグ波長の間隔を変化させた場合のＡＳＥスペクトルの変化を示すグラフである。
【図16】本発明の第１の実施形態に係る半導体光増幅器の構成を示す平面図（その２）である。
【図17】本発明の第１の実施形態に係る半導体光増幅器において、隣り合う回折格子のピッチ方向が異なる構成を示す拡大平面図である。
【図18】本発明の第１の実施形態に係る半導体光増幅器において、光導波路が曲り導波路部分を含む構成を示す平面図（その１）である。
【図19】本発明の第１の実施形態に係る半導体光増幅器の曲り導波路における回折格子の形成法を説明するための拡大平面図である。
【図20】本発明の第１の実施形態に係る半導体光増幅器における曲り導波路の形成例を示す拡大平面図である。
【図21】本発明の第１の実施形態に係る半導体光増幅器において、光導波路が曲り導波路部分を含む構成を示す平面図（その２）である。
【図23】本発明の第２の実施形態に係る半導体光増幅器が備える光導波路の等価屈折率の分布例を示すグラフである。
【図24】本発明の第１の実施形態に係る半導体光増幅器における進行波の増幅特性と、本発明の第２の実施形態の半導体光増幅器における進行波の増幅特性を示すグラフである。
【図25】（Ａ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体光増幅器のＡＳＥスペクトルを示すグラフであり、（Ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体光増幅器のＡＳＥスペクトルを示すグラフである。
【図26】従来の半導体光増幅器、本発明の第１の実施形態に係る半導体光増幅器、本発明の第２の実施形態に係る半導体光増幅器のＮＦと光結合効率との関係を示すグラフである。
【図27】従来の半導体光増幅器のＡＳＥスペクトルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0022】
以下、本発明に係る半導体光増幅器（ＳＯＡ）の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、各図面上の各構成の寸法比は、実際の寸法比と必ずしも一致していない。
【0024】
図１に示すように、ＳＯＡ１は、例えば、ｎ型ＩｎＰ（インジウム・リン）からなるｎ型半導体基板１１と、ｎ型半導体基板１１の上に形成されるｎ型ＩｎＰからなるｎ型クラッド層１２と、ｎ型クラッド層１２の上に形成されるＩｎＧａＡｓＰ（インジウム・ガリウム・砒素・リン）からなる光分離閉じ込め（ＳＣＨ：Separate Confinement Heterostructure）層１３と、ＳＣＨ層１３の上に形成されるＩｎＧａＡｓＰからなる活性層１４と、活性層１４の上に形成されるＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１５と、ＳＣＨ層１５の上に形成されるｐ型ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８と、が順次積層されてなる。また、半導体基板１１をｐ型ＩｎＰとする構成では、ｎ型クラッド層１２をｐ型ＩｎＰに置き換え、ｐ型クラッド層１８をｎ型ＩｎＰに置き換えればよい。
【0025】
なお、ｎ型クラッド層１２、ＳＣＨ層１３、活性層１４、ＳＣＨ層１５、及びｐ型クラッド層１８はメサ型の光導波路３０を構成しており、このメサ型の光導波路３０の両側方にｐ型ＩｎＰからなる下部埋め込み層１６及びｎ型ＩｎＰからなる上部埋め込み層１７が形成されている。
【0026】
ｐ型ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８はＳＣＨ層１５の上側及び上部埋め込み層１７の上面に形成されており、このｐ型クラッド層１８の上面には、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなるｐ型コンタクト層１９が形成されている。さらに、このｐ型コンタクト層１９の上面には、ｐ型金属電極２０が設けられている。また、ｎ型半導体基板１１の下面にはｎ型金属電極２１が設けられている。
【0027】
ＳＯＡ１の入射端面１ａ及び出射端面１ｂは、例えば劈開によって形成されており、反射率はいずれも低いものとする。さらに、入射端面１ａ及び出射端面１ｂには、反射防止膜がそれぞれ施されていてもよい。例えば、反射防止膜が施された入射端面１ａ及び出射端面１ｂの反射率は０．５％以下となる。
【0028】
図２（Ａ）に示すように、光導波路３０は、入射端面１ａから入射された信号光を導波するとともに増幅して出射端面１ｂから出射するようになっている。なお、光導波路３０を基本横モード光が伝搬する方向を光導波路３０の光（信号光又はＡＳＥ）の導波方向とする。図中の破線で示す光導波路３０の光の導波方向は、入射端面１ａ及び出射端面１ｂの法線方向に対して０°以外の角度で傾いている。
【0029】
図２（Ｂ）に示すように、活性層１４の近傍にあるｎ型クラッド層１２の表面には、特定の反射波長帯域の光を選択的に反射する複数の回折格子３２（３２−１〜３２−ｎ）が光導波路３０の光の導波方向に沿って連続的に形成されている。これら複数の回折格子３２は、いわゆる分布ブラッグ反射器（Distributed Bragg Reflector：ＤＢＲ）を構成している。回折格子３２−１〜３２−ｎのブラッグ波長（λＢ−ｊ：ｊ＝１，２，・・・ｎ）は、入射端面１ａから出射端面１ｂに向かって離散的に変化している。これらのブラッグ波長λＢ−ｊは、信号光の波長と異なっており、例えば信号光の波長よりも数ナノメートル以上離れている。
【0030】
このような回折格子構造により、図２（Ａ）に示すようにＡＳＥが光導波路３０の外側に散乱されるため、ＳＯＡ１の出射端面１ｂからの出力光に含まれるＡＳＥが減少し、ＮＦが低減される。
【0031】
図３は、ブラッグ波長λＢが１２５４ｎｍ，１２５７ｎｍ，１２６０ｎｍ，１２６３ｎｍ，１２６６ｎｍである５つの回折格子３２それぞれの反射スペクトラムの一例を示すグラフである。各回折格子３２の結合係数κは１２０ｃｍ−１、各回折格子３２の領域長ＬＤＢＲは６０μｍ、複数の回折格子３２のブラッグ波長λＢの間隔ΔλＢは３ｎｍである。ここで、結合係数κとは、回折格子が形成された光導波路を光が単位距離だけ伝搬する際に、反射される光の割合を示すパラメータである。図３に示すように、各回折格子３２の反射波長帯域はブラッグ波長λＢを中心に広がりを持っている。
【0032】
図４は、図３の５つの回折格子３２を含む１３個の回折格子３２それぞれの反射スペクトラムの和として与えられる反射スペクトラムの一例を示すグラフである。図４（Ａ）は縦軸の反射率を線形スケールで表示したものであり、図４（Ｂ）は対数スケールで表示したものである。図３と同様に、各回折格子３２の結合係数κは１２０ｃｍ−１、各回折格子３２の領域長ＬＤＢＲは６０μｍ、複数の回折格子３２のブラッグ波長λＢの間隔ΔλＢは３ｎｍである。このように、裾が急峻なほぼ矩形の反射スペクトラムが複数の回折格子３２により生成される。このようなほぼ矩形の反射スペクトラムにより、反射波長帯域の端を信号光の波長の付近に設定することで回折格子による信号光の反射を回避しながら効率的にＡＳＥを低減することが可能である。
【0033】
図５（Ａ）〜（Ｃ）は、光導波路３０の出射端面１ｂ付近の構造例を示す図である。既に述べたように、図中の破線で示す光導波路３０の光の導波方向は、入射端面１ａ及び出射端面１ｂの法線方向に対して０°以外の角度で傾いている。また、各回折格子３２のピッチ方向（ｙ方向）は、入射端面１ａ及び出射端面１ｂの法線方向に平行である。
【0034】
複数の回折格子３２は、光導波路３０で発生するＡＳＥのうち各回折格子３２の反射波長帯域の光を、光導波路３０の光の導波方向と異なる方向に反射する。各回折格子３２−ｊにおける回折方向は、下記の式（１）のように与えられる。ここで、Λｊは回折格子３２−ｊのピッチ、θは回折格子３２−ｊでの光の入射角及び反射角、ｍは自然数、λＢ−ｊは回折格子３２−ｊのブラッグ波長、ｎｅｑ―ｊは光導波路３０の回折格子３２−ｊが形成された領域の等価屈折率である。【数1】
【0035】
回折格子３２−ｊに式（１）を満たす入射角θで入射したＡＳＥのうち、λＢ−ｊを中心波長とする回折格子３２−ｊの反射波長帯域に含まれる波長成分の光が反射角θで反射されて光導波路３０の外部に散乱される。よって、各回折格子３２のピッチ方向が光導波路３０の光の導波方向に対して成す角度（以下、「傾斜角度」とも称する）は、式（１）を満たす角度θであることが望ましい。
【0036】
なお、上記の説明では、光導波路３０の長さ方向全体にわたって回折格子３２が形成されるとしたが、本発明はこれに限定されず、光導波路３０の長さ方向の一部のみに回折格子３２が形成されていてもよい。ただし、ＡＳＥは光導波路３０の長さ方向全体から発生するため、入射端面１ａに近いところのみに回折格子３２が形成されていると、出射端面１ｂ側で発生するＡＳＥを低減できなくなってしまう。このため、少なくとも出射端面１ｂ側には回折格子３２が形成されることが重要である。
【0037】
図６は、波長λが１３００ｎｍの信号光がＳＯＡ１に入射された場合に、複数の回折格子３２により反射されて光導波路３０の外部に散乱された光のうち、再び光導波路３０の内部に戻る光のパワーの割合をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。スポットサイズωＳｐｏｔが比較的大きい光は、回折格子３２による回折で波面が余り広がらないため、光導波路３０に戻りにくい。また、傾斜角度θが大きいほど、光導波路３０に戻る光の割合が小さくなる。例えば、傾斜角度θを８°とした場合には、スポットサイズωＳｐｏｔが１μｍ〜２μｍの範囲の値である場合に光導波路３０に戻る光のパワーの割合を１０−８以下にすることができる。
【0038】
なお、光のスポットサイズωＳｐｏｔは、例えば、図５（Ｂ）に示すように光導波路３０の幅（活性層１４の幅）が出射端面１ｂに向かってフレア状に広がるフレア部を設けることや、図５（Ｃ）に示すように光導波路３０の幅（活性層１４の幅）が出射端面１ｂに向かってテーパ状に狭まるテーパ部を設けることで制御することができる。
【0039】
図７は、入射端面１ａから出射端面１ｂに向かう光導波路３０の光の導波方向に沿ってＮ個形成された回折格子３２の透過率を縦軸方向にずらして表示したグラフである。なお、図７では、（Ｎ＝）１６個の回折格子３２のうち、入射端面１ａ側から０，２，４，６，８，１０，１２，１４，１５番目の回折格子の透過率を示している。各回折格子３２の結合係数κは１２５ｃｍ−１、光導波路３０の長さＬＷＧは１０００μｍ、各回折格子３２の領域長ＬＤＢＲは６６．６６μｍ、複数の回折格子３２のブラッグ波長λＢの間隔ΔλＢは３ｎｍである。
【0040】
図７（Ａ）は、入射端面１ａから出射端面１ｂに向かう光導波路３０の光の導波方向に沿った複数の回折格子３２の配置順序が、各回折格子３２−ｊの反射波長帯域の中心波長、すなわちブラッグ波長λＢ−ｊに関して昇順である場合（以下、「順配列」とも称する）の各回折格子３２−ｊの透過率を示している。また、図７（Ｂ）は、入射端面１ａから出射端面１ｂに向かう光導波路３０の光の導波方向に沿った複数の回折格子３２の配置順序が、各回折格子３２−ｊのブラッグ波長λＢ−ｊに関して降順である場合（以下、「逆配列」とも称する）の各回折格子３２−ｊの透過率を示している。
【0041】
図８（Ａ）に、ＳＯＡ１が図７（Ａ）に示したような順配列の複数の回折格子３２を有する場合のＡＳＥスペクトラム（実線）をシミュレーションにより求めた一例を示す。ここで、複数の回折格子３２のブラッグ波長λＢの範囲は、１２４３ｎｍ≦λＢ≦１２８５ｎｍである。図８（Ａ）において点線は、回折格子を持たないＳＯＡのＡＳＥスペクトラム（以下、「比較用ＡＳＥスペクトラム」とも称する）を示している。なお、比較用ＡＳＥスペクトラムの半値全幅は実測値を参照して４６ｎｍとし、ＡＳＥピークにおけるゲインは５０６５．７ｍ−１である。比較用ＡＳＥスペクトラムと比較して、順配列の複数の回折格子３２を有するＳＯＡ１のＡＳＥは、信号光の波長（例えば１３００ｎｍ）よりも短波長側が低減されており、全体としては１．５１６ｄＢ低減されている。
【0042】
図８（Ｂ）に、ＳＯＡ１が図７（Ｂ）に示したような逆配列の複数の回折格子３２を有する場合のＡＳＥスペクトラム（実線）をシミュレーションにより求めた一例を示す。ここで、複数の回折格子３２のブラッグ波長λＢの範囲は、１２４３ｎｍ≦λＢ≦１２８５ｎｍである。比較用ＡＳＥスペクトラム（点線）と比較して、逆配列の複数の回折格子３２を有するＳＯＡ１のＡＳＥは、信号光の波長（例えば１３００ｎｍ）よりも短波長側が低減されており、全体としては１．２０２ｄＢ低減されている。
【0043】
図９及び図１０は、入射端面１ａから出射端面１ｂに向かう光導波路３０の光の導波方向に沿ってＮ個形成された回折格子３２の透過率を縦軸方向にずらして表示したグラフである。なお、図９及び図１０では、（Ｎ＝）２０個の回折格子３２のうち、入射端面１ａ側から０，２，４，６，９，１０，１３，１５，１７，１９番目の回折格子の透過率を示している。各回折格子３２の結合係数κは１２５ｃｍ−１、光導波路３０の長さＬＷＧは１０００μｍ、各回折格子３２の領域長ＬＤＢＲは５０μｍ、複数の回折格子３２のブラッグ波長λＢの間隔ΔλＢは４ｎｍ、最大ゲインＧは５０６５．７ｍ−１である。
【0044】
図９は、入射端面１ａ側の１番目からｎ番目までのｎ個の回折格子３２の配置順序が各回折格子３２−ｊのブラッグ波長λＢ−ｊに関して昇順であり、ｎ＋１番目からＮ番目までの（Ｎ−ｎ）個の回折格子３２の配置順序が各回折格子３２−ｊのブラッグ波長λＢ−ｊに関して降順である場合（以下、「回帰型配列」とも称する）の各回折格子３２−ｊの透過率を示している。
【0045】
図１０は、入射端面１ａ側の１番目からｎ番目までのｎ個の回折格子３２の配置順序が各回折格子３２−ｊのブラッグ波長λＢ−ｊに関して昇順であり、ｎ＋１番目からＮ番目までの（Ｎ−ｎ）個の回折格子３２の配置順序が各回折格子３２−ｊのブラッグ波長λＢ−ｊに関して昇順であり、ｎ番目の回折格子３２−ｎのブラッグ波長λＢ−ｎがｎ＋１番目の回折格子３２−（ｎ＋１）のブラッグ波長λＢ−（ｎ＋１）よりも大きい場合（以下、「繰返し型配列」とも称する）の各回折格子３２−ｊの透過率を示している。
【0046】
図１１（Ａ）に、ＳＯＡ１が図９に示したような回帰型配列の複数の回折格子３２を有する場合のＡＳＥスペクトラム（実線）をシミュレーションにより求めた一例を示す。ここで、複数の回折格子３２のブラッグ波長λＢの範囲は、１２４９ｎｍ≦λＢ≦１２８５ｎｍである。比較用ＡＳＥスペクトラム（点線）に対して、回帰型配列の複数の回折格子３２を有するＳＯＡ１のＡＳＥは、信号光の波長（例えば１３００ｎｍ）よりも短波長側が低減されており、全体としては１．５９６ｄＢ低減されている。
【0047】
また、図１１（Ｂ）は、入射端面１ａ側の１番目からｎ番目までのｎ個の回折格子３２の配置順序が各回折格子３２−ｊのブラッグ波長λＢ−ｊに関して降順であり、ｎ＋１番目からＮ番目までの（Ｎ−ｎ）個の回折格子３２の配置順序が各回折格子３２−ｊのブラッグ波長λＢ−ｊに関して昇順である場合（以下、「反転回帰型配列」とも称する）のＳＯＡ１のＡＳＥスペクトラム（実線）をシミュレーションにより求めた一例を示している。ここで、複数の回折格子３２のブラッグ波長λＢの範囲は、１２４９ｎｍ≦λＢ≦１２８５ｎｍである。比較用ＡＳＥスペクトラム（点線）に対して、反転回帰型配列の複数の回折格子３２を有するＳＯＡ１のＡＳＥは、信号光の波長（例えば１３００ｎｍ）よりも短波長側が低減されており、全体としては１．４３３ｄＢ低減されている。
【0048】
図１２（Ａ）に、ＳＯＡ１が図１０に示したような繰返し型配列の複数の回折格子３２を有する場合のＡＳＥスペクトラム（実線）をシミュレーションにより求めた一例を示す。ここで、複数の回折格子３２のブラッグ波長λＢの範囲は、１２４９ｎｍ≦λＢ≦１２８５ｎｍである。比較用ＡＳＥスペクトラム（点線）に対して、繰返し型配列の複数の回折格子３２を有するＳＯＡ１のＡＳＥスペクトラム（実線）は、信号光の波長（例えば１３００ｎｍ）よりも短波長側が低減されており、全体としては１．６０７ｄＢ低減されている。
【0049】
また、図１２（Ｂ）は、入射端面１ａ側の１番目からｎ番目までのｎ個の回折格子３２の配置順序が各回折格子３２−ｊのブラッグ波長λＢ−ｊに関して降順であり、ｎ＋１番目からＮ番目までの（Ｎ−ｎ）個の回折格子３２の配置順序が各回折格子３２−ｊのブラッグ波長λＢ−ｊに関して降順であり、ｎ番目の回折格子３２−ｎのブラッグ波長λＢ−ｎがｎ＋１番目の回折格子３２−（ｎ＋１）のブラッグ波長λＢ−（ｎ＋１）よりも小さい場合（以下、「反転繰返し型配列」とも称する）のＳＯＡ１のＡＳＥスペクトラム（実線）をシミュレーションにより求めた一例を示している。ここで、複数の回折格子３２のブラッグ波長λＢの範囲は、１２４９ｎｍ≦λＢ≦１２８５ｎｍである。比較用ＡＳＥスペクトラム（点線）に対して、反転繰返し型配列の複数の回折格子３２を有するＳＯＡ１のＡＳＥは、信号光の波長（例えば１３００ｎｍ）よりも短波長側が低減されており、全体としては１．４２３ｄＢ低減されている。
【0050】
図１３は、各回折格子３２の結合係数κを１２５ｃｍ−１、光導波路３０の長さＬＷＧを１０００μｍとして、回折格子３２の個数を変化させた場合のＡＳＥスペクトラムをシミュレーションにより求めた一例を示している。ここで、複数の回折格子３２のブラッグ波長λＢの範囲は、１２３７．５ｎｍ≦λＢ≦１２８５ｎｍである。図１３に示す３種類のＡＳＥスペクトラムについて、各回折格子３２の領域長ＬＤＢＲと、回折格子３２の個数ＮＤＢＲと、複数の回折格子３２のブラッグ波長λＢの間隔ΔλＢの値を図１４に示す。
【0051】
図１３の結果から、個数ＮＤＢＲが増えて複数の回折格子３２全体がいわゆるチャープドグレーティング構造に近づくほど、比較用ＡＳＥスペクトラム（点線）のピークの周波数付近のＡＳＥと、信号光の波長（例えば１３００ｎｍ）の付近のＡＳＥとを急峻に切り取ることができなくなることが分かる。
【0052】
なお、上記の説明では、複数の回折格子３２が活性層１４の下方のみに形成された例を示したが、本発明はこれに限定されず、図１５に示すように複数の回折格子３２と同様の複数の回折格子３１（３１−１〜３１−ｎ）が活性層１４の上方のみに形成されてもよい。複数の回折格子３１は、活性層１４の近傍にあるＳＣＨ層１５の表面に光導波路３０の光の導波方向に沿って連続的に形成される。あるいは、ｐ型クラッド層１８の中に回折格子を設ける構造としてもよい。また、複数の回折格子３１が活性層１４の上方のみに形成された構成も、複数の回折格子３２が活性層１４の下方のみに形成された構成と同様の効果を奏することができる。
【0053】
また、上記の説明では、光導波路３０の光の導波方向が入射端面１ａ及び出射端面１ｂの法線方向に対して０°以外の角度で傾いており、各回折格子３２のピッチ方向が入射端面１ａ及び出射端面１ｂの法線方向に平行であるとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図１６に示すように、光導波路３０の光の導波方向が入射端面１ａ及び出射端面１ｂの法線方向に対して平行であり、各回折格子３２のピッチ方向が入射端面１ａ及び出射端面１ｂの法線方向に対して０°以外の角度で傾いていてもよい。あるいは、光導波路３０の光の導波方向が入射端面１ａ及び出射端面１ｂの法線方向に対して０°以外の角度で傾いているとともに、各回折格子３２のピッチ方向が入射端面１ａ及び出射端面１ｂの法線方向に対して０°以外の角度で傾いていてもよい。
【0054】
上述のように、図１６には、各回折格子３２のピッチ方向が入射端面１ａ及び出射端面１ｂの法線方向に対して一定の傾斜角度で傾いている例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図１７に示すように、光導波路３０の光の導波方向に沿って隣り合う回折格子３２，３２'のブラッグ波長λＢ，λＢ'が互いに異なる場合、回折格子３２のピッチ方向と回折格子３２'のピッチ方向とが異なっていてもよい。例えば、回折格子３２において同一位相を有する回折格子の山（もしくは谷）が導波路中心線（破線）に立てた垂直線（ここでは境界線Ｌ−Ｌ'）に対して成す角度θの符号と、回折格子３２'において同一位相を有する回折格子の山（もしくは谷）がＬ−Ｌ'に対して成す角度θ'の符号とは、互いに逆となってもよい。なお、後述する曲り導波路部分において隣り合う回折格子についても、各回折格子において同一位相を有する回折格子の山（もしくは谷）が導波路中心線に立てた垂直線に対して成す角度の符号は、互いに逆となっていてもよい。
【0055】
また、図１６等には、光導波路３０の光の導波方向が入射端面１ａ及び出射端面１ｂの法線方向に対して一定の角度を成している例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図１８（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、入射端面１ａ又は出射端面１ｂにおける端面反射を抑制するために、光導波路３０が所定の曲率半径の曲り導波路部分を含んでいてもよい。例えば、図１８（Ａ），（Ｂ）は、出射端面１ｂ側に曲率半径Ｒ１の曲り導波路が形成されるとともに、入射端面１ａ側に曲率半径Ｒ２の曲り導波路が形成される例を示している。図１８（Ａ）は、曲率半径Ｒ１の曲率円の中心Ｏ１と、曲率半径Ｒ２の曲率円の中心Ｏ２とが、導波路中心線に対して同じ側に位置する例である。一方、図１８（Ｂ）は、曲率半径Ｒ１の曲率円の中心Ｏ１と、曲率半径Ｒ２の曲率円の中心Ｏ２とが、導波路中心線に対して異なる側に位置する例である。
【0056】
また、図１８（Ｃ）は、光導波路３０が、入射端面１ａ側において光の導波方向が入射端面１ａに垂直な直線導波路を有する一方で、出射端面１ｂ側において曲率半径Ｒ１の曲り導波路を有する例を示している。あるいは、光導波路３０が、出射端面１ｂ側において光の導波方向が出射端面１ｂに垂直な直線導波路を有する一方で、入射端面１ａ側において曲り導波路を有する構成であってもよい。
【0057】
以下、図１９を用いて、本実施形態における曲り導波路における回折格子３２の形成法を述べる。図１９（Ａ）に示すように、曲線Ａ−Ａ'及び曲線Ｂ−Ｂ'を曲り導波路の境界とする。また、これら両曲線の間に存在する曲り導波路の導波路中心線Ｃ−Ｃ'中の任意の点Ｄにおける接線をＰ−Ｐ'とし、これに垂直な線分をＱ−Ｑ'とする。このとき、回折格子３２において同一位相を有する山（もしくは谷）Ｔ−Ｔ'が線分Ｑ−Ｑ'に対して成す角度が＋θとなるように、回折格子３２を形成する。あるいは、回折格子３２において同一位相を有する山（もしくは谷）Ｓ−Ｓ'が線分Ｑ−Ｑ'に対して成す角度が−θとなるように、回折格子３２を形成する。ただし、ブラッグ波長が同一の回折格子ユニット内では、この角度の符号は同一とする。
【0058】
また、回折格子中の、ある山と隣接した山、もしくは、ある谷と隣接した谷の間隔をピッチと呼ぶことにすると、所望のピッチを導波路中心線Ｃ−Ｃ'上で作製することが望ましいが、例えば曲線Ａ−Ａ'上でピッチを設定してもよい。この場合、図１９（Ｂ）に示すように、曲り導波路の点Ｄにおける曲率半径をＲ、導波路幅をＷとすると、ピッチを導波路中心線Ｃ−Ｃ'上で作製したものに対して（１＋Ｗ／２Ｒ）倍にすればよい。一方、曲線Ｂ−Ｂ'上でピッチを設定する場合、ピッチを導波路中心線Ｃ−Ｃ'上で作製したものに対して（１−Ｗ／２Ｒ）倍にすればよい。
【0059】
図２０に曲り導波路に形成される回折格子の例を示す。図２０（Ａ）は、曲率半径Ｒの曲り導波路において、回折格子の同一位相を有する山（もしくは谷）が、導波路中心線の接線に垂直な直線に対して成す角度が＋θとなる構成を示している。また、図２０（Ａ）に示すように、直線導波路において、回折格子の同一位相を有する山（もしくは谷）が、導波路中心線の接線に垂直な直線に対して成す角度が−θとなってもよい。一方、図２０（Ｂ）は、曲率半径Ｒの曲り導波路と直線導波路において、回折格子の同一位相を有する山（もしくは谷）が、導波路中心線の接線に垂直な直線に対して成す角度が−θとなる構成を示している。
【0060】
図２１は、図１８に示した光導波路３０の構成の変形例を示している。図１８に示した例では、回折格子のピッチが、曲り導波路の曲率中心に近い内側よりも曲率中心から遠い外側で僅かに広がっている。このため、曲り導波路の内側から外側に向かってブラッグ波長が連続的に高くなる方向に変化しており、曲り導波路の幅方向にチャープドグレーティング構造が形成されたような構造となっている。これを避けるために、図２１の例では、曲り導波路の部分に回折格子を形成しない構成としている。
【0061】
以上説明したように、本実施形態に係るＳＯＡ１は、光導波路３０で生じて増幅されたＡＳＥを、複数の回折格子３２により光導波路３０の外に回折させることにより、信号光の帯域以外のＡＳＥを低減することができる。これにより、本実施形態に係るＳＯＡ１は、ＡＳＥ間のビート雑音と、信号光とＡＳＥとの間のビート雑音とを低減してＮＦを減少させることができる。
【0062】
また、本実施形態に係るＳＯＡ１は、各回折格子３２のピッチ方向が光導波路３０の光の導波方向に対してゼロではない角度を成すため、光導波路３０で発生するＡＳＥを信号光の導波方向と異なる方向に反射させて、出射端面１ｂから出射されるＡＳＥを低減することができる。
【0063】
また、本実施形態に係るＳＯＡ１はＮＦ特性が向上しているため、ＳＯＡ１をプリアンプとして用いる場合には光伝送系の構築が容易となり、コスト削減をもたらすことができる。
【0064】
また、本実施形態に係るＳＯＡ１は、光導波路３０内のＡＳＥの光子密度を抑圧できるため、活性層１４内のキャリア密度の低下を抑圧することができる。また、本実施形態に係るＳＯＡ１は、活性層１４内のキャリア密度の低下を抑圧できることにより、活性層１４の反転分布パラメータの増大を抑制して、ＮＦ特性を更に向上させることができる。さらに、本実施形態に係るＳＯＡ１は、活性層１４内のキャリア密度の低下を抑圧できることにより、飽和利得特性の改善も期待できる。
【0065】
（第２の実施形態）続いて、本発明の第２の実施形態に係るＳＯＡ２について図面を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付して適宜説明を省略する。また、第１の実施形態と同様の動作についても適宜説明を省略する。
【0066】
第１の実施形態では、複数の回折格子３１，３２が活性層１４の上方又は下方のみに形成されたＳＯＡ１（以下、「単層型ＳＯＡ」とも称する）を示したが、本発明はこれに限定されず、複数の回折格子３１，３２が、図２２に示すように活性層１４の上方及び下方に形成されてもよい。
【0067】
図２２は、複数の回折格子３２−１〜３２−ｎが活性層１４の下方に形成され、複数の回折格子３１（３１−１〜３１−ｎ）が活性層１４の上方に形成されたＳＯＡ２（以下、「積層型ＳＯＡ」とも称する）の構成例を示している。
【0068】
第１の実施形態と同様に、活性層１４の下方に形成された回折格子３２−１〜３２−ｎは、順配列、逆配列、回帰型配列、反転回帰型配列、繰返し型配列、反転繰返し型配列のいずれかの配列で配置される。また、活性層１４の上方に形成された回折格子３１−１〜３１−ｎは、回折格子３２−１〜３２−ｎの配列に合わせて、順配列、逆配列、回帰型配列、反転回帰型配列、繰返し型配列、反転繰返し型配列のいずれかの配列で配置される。
【0069】
ただし、活性層１４の上方及び下方に形成された回折格子３１，３２のピッチが全く同じ場合、回折格子の山と谷の位置が上下で完全に逆になってしまうと、等価屈折率の分布を打ち消し合ってしまう。このため、図２２の構成では、上下の回折格子３１，３２のピッチを異ならせることにより、等価屈折率の変化が全体的にゼロにならないようにしている。図２３に、上側の回折格子３１−ｊのブラッグ波長λＬＢ−ｊが１２８５ｎｍ、下側の回折格子３２−ｊのブラッグ波長λＳＢ−ｊが１２４５ｎｍ、各回折格子３１−ｊ，３２−ｊの結合係数κが１００ｃｍ−１である場合の、ＳＯＡ２の等価屈折率ｎｅｑ―ｊの分布例を示す。
【0070】
図２４は、本実施形態のＳＯＡ２における進行波の増幅特性（○印）と、第１の実施形態のＳＯＡ１における進行波の増幅特性（□印）を示すグラフである。着目する回折格子３１−ｊ，３２−ｊの結合係数κは１００ｃｍ−１、領域長ＬＤＢＲは１００μｍ、ゲインＧは５０．６６ｃｍ−１、ブラッグ波長λＢは１２８５ｎｍである。横軸のδλは、着目する回折格子３１−ｊ，３２−ｊに入射する光の波長λとブラッグ波長λＢとの差を表している。
【0071】
図２４の結果から、回折格子の結合係数κが同一であれば、単層型ＳＯＡ１と積層型ＳＯＡ２の進行波増幅特性は、ほぼ同一であることが分かる。
【0072】
図２５（Ａ）に、単層型ＳＯＡ１のＡＳＥスペクトラム（実線）をシミュレーションにより求めた一例を示す。比較用ＡＳＥスペクトラム（点線）に対して、単層型ＳＯＡ１のＡＳＥは、信号光の波長（例えば１３００ｎｍ）よりも短波長側が低減されており、全体としては０．９９４４ｄＢ低減されている。ここで、単層型ＳＯＡ１の各回折格子３２の結合係数κは１００ｃｍ−１、光導波路３０の長さＬＷＧは１０００μｍ、各回折格子３２の領域長ＬＤＢＲは１００μｍ、複数の回折格子３２のブラッグ波長λＢの間隔ΔλＢは２．５ｎｍである。また、複数の回折格子３２のブラッグ波長λＢの範囲は、１２６７．５ｎｍ≦λＢ≦１２８３．２５ｎｍである。また、図２５におけるＡＳＥのピーク波長は１２９０ｎｍであり、ＡＳＥスペクトラムの半値全幅は４６ｎｍである。
【0073】
図２５（Ｂ）に、積層型ＳＯＡ２のＡＳＥスペクトラム（実線）をシミュレーションにより求めた一例を示す。比較用ＡＳＥスペクトラム（点線）に対して、積層型ＳＯＡ２のＡＳＥは、信号光の波長（例えば１３００ｎｍ）よりも短波長側が低減されており、全体としては１．５４８ｄＢ低減されている。ここで、積層型ＳＯＡ２の各回折格子３１，３２の結合係数κは１００ｃｍ−１、光導波路３０の長さＬＷＧは１０００μｍ、各回折格子３１，３２の領域長ＬＤＢＲは１００μｍ、複数の回折格子３１，３２のブラッグ波長λＢの間隔ΔλＢは１．７５ｎｍである。また、活性層１４の下方に形成された回折格子３２のブラッグ波長λＳＢの範囲は、１２６０ｎｍ≦λＳＢ≦１２７５．７５ｎｍである。また、活性層１４の上方に形成された回折格子３１のブラッグ波長λＬＢの範囲は、１２７４．２５ｎｍ≦λＬＢ≦１２９０ｎｍである。
【0074】
図２５の結果から、回折格子の結合係数κ、光導波路３０の長さＬＷＧ、回折格子の領域長ＬＤＢＲが等しい場合には、積層型ＳＯＡ２が単層型ＳＯＡ１よりも効果的にＡＳＥを低減できることが分かる。
【0075】
なお、上記の説明では、活性層１４の上方及び下方に複数の回折格子３１，３２が２層形成されるとしたが、本発明はこれに限定されず、活性層１４の上方及び／又は下方に複数の回折格子が３層以上形成されていてもよい。
【0076】
図２６は、信号光の波長を１３００ｎｍ、ＳＯＡに対する入射側光ファイバ内の信号光パワーを−２５ｄＢｍとした場合に、複数のＤＢＲが形成されていない従来のＳＯＡ（○印）、本実施形態の単層型ＳＯＡ（□印）、本実施形態の積層型ＳＯＡ（△印）における信号光のＮＦをそれぞれシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。図２６の横軸は、各ＳＯＡの入射端面側における光ファイバと光導波路との光結合効率である。
【0077】
例えば、光結合効率が−３ｄＢの場合、単層型ＳＯＡのＮＦは従来のＳＯＡに対して１ｄＢ程度減少し、積層型ＳＯＡのＮＦは従来のＳＯＡに対して１．３ｄＢ程度減少する。これに対して、従来のＳＯＡにおいて、光結合効率を−３ｄＢから−１ｄＢに向上させた場合のＮＦの減少は、０．７ｄＢ程度である。つまり、ＳＯＡに複数のＤＢＲを設ける本発明の構成は、従来のＳＯＡにおいて光結合効率を向上させる試みよりも効果的にＮＦを低減できると言える。さらに、積層型ＳＯＡにおいて光結合効率を−１ｄＢとした場合には、４．８ｄＢ程度の非常に良好なＮＦを達成することができる。
【0078】
以下、本発明に係るＳＯＡ２の製造方法の一例を説明する。
【0079】
まず、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いてｎ型ＩｎＰからなるｎ型半導体基板１１上に、ｎ型ＩｎＰからなるｎ型クラッド層１２をエピタキシャル成長する。
【0080】
次に、フォトレジスト又は電子ビームレジストをｎ型クラッド層１２の表面に塗布し、干渉露光法又は電子ビーム描画法によって回折格子パターン露光を行い、現像及びウェットエッチングによって複数の回折格子３２を作製する。回折格子３２のピッチは希望するブラッグ波長によって異なる。
【0081】
次に、回折格子３２が形成されたｎ型クラッド層１２上に、ＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１３をエピタキシャル成長する。
【0082】
次に、ＳＣＨ層１３の上に、ＭＱＷ構造又はＳＱＷ構造の活性層１４を形成する。このようにして形成された活性層１４の上にＳＣＨ層１５を形成する。
【0083】
次に、フォトレジスト又は電子ビームレジストをＳＣＨ層１５の表面に塗布し、干渉露光法又は電子ビーム描画法によって回折格子パターン露光を行い、現像及びウェットエッチングによって複数の回折格子３１を作製する。回折格子３１のピッチは希望するブラッグ波長によって異なる。
【0084】
次に、回折格子３１が形成されたＳＣＨ層１５の上に、ｐ型ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８の下層部を成長形成する。さらに、プラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＮｘ膜又はＳｉＯ２膜からなる絶縁膜をｐ型クラッド層１８の下層部の上面に積層した後、レジストを塗布し、フォトリソグラフィによってストライプ状のマスクパターンを露光して現像する。
【0085】
このストライプ状のマスクパターンを用いて、絶縁膜の両側をフッ酸によるエッチングで除去する。続いて残ったレジストを剥離除去して、ストライプ状のマスクパターンの形状が転写された絶縁膜のエッチングマスクを形成する。
【0086】
そして、上記により設定された絶縁膜のエッチングマスクと、塩酸、過酸化水素水、及び水の混合液からなるエッチング液を用いて、ｐ型クラッド層１８の下層部、ＳＣＨ層１５、活性層１４、ＳＣＨ層１３、ｎ型クラッド層１２をウェットエッチングして、メサストライプを形成する。
【0087】
次に、ウェットエッチングで除去された部分にＭＯＶＰＥ法を用い、絶縁膜のエッチングマスクを成長阻害マスクとして利用して、ｐ型ＩｎＰからなる下部埋め込み層１６及びｎ型ＩｎＰからなる上部埋め込み層１７を順次積層して埋め込む。
【0088】
次に、絶縁膜のエッチングマスクをフッ酸で除去して、メサストライプの上面を表出し、ｐ型クラッド層１８の下層部と組成の等しいｐ型ＩｎＰからなる埋め込み層を積層してｐ型クラッド層１８を完成し、その上部にｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなるｐ型コンタクト層１９をＭＯＶＰＥ法によって積層する。
【0089】
そして、ｐ型コンタクト層１９上にｐ型金属電極２０を、ｎ型半導体基板１１の底面にｎ型金属電極２１を蒸着法で形成して、アロイ、メッキ工程を行い、半導体ウエハを完成する。
【0090】
次に、この半導体ウエハに対して所定位置で劈開やダイシングを行うことにより、個々のチップに分離する。さらに、分離されたチップの入射端面１ａ及び出射端面１ｂに反射防止膜を形成する。これで本実施形態のＳＯＡ２が完成する。
【0091】
以上説明したように、本実施形態に係るＳＯＡ２は、複数の回折格子３１，３２を活性層１４の上方及び下方に形成した構成とすることにより、更にＡＳＥを低減することができる。
【符号の説明】
【0092】
１，２ ＳＯＡ１ａ 入射端面
１ｂ 出射端面
１１ ｎ型半導体基板
１２ ｎ型クラッド層
１３ ＳＣＨ層
１４ 活性層
１５ ＳＣＨ層
１６ 下部埋め込み層
１７ 上部埋め込み層
１８ ｐ型クラッド層
１９ ｐ型コンタクト層
２０ ｐ型金属電極
２１ ｎ型金属電極
３０ 光導波路
３１，３２ 回折格子