特開 2024-173853 半導体光増幅素子

(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】P2024173853

(43)【公開日】2024-12-13

(54)【発明の名称】半導体光増幅素子

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/50 20060101AFI20241205BHJP

   H01S 5/14 20060101ALI20241205BHJP

   H01S 5/026 20060101ALI20241205BHJP

【ＦＩ】

H01S5/50 610

H01S5/14

H01S5/026 610

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023090488

(22)【出願日】2023-05-31

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）Ｂｅｙｏｎｄ ５Ｇ研究開発促進事業 委託研究 令和４年度、国立研究開発法人情報通信研究機構「研究開発課題名：Ｂｅｙｏｎｄ ５Ｇ 超高速・大容量ネットワークを実現する小型低電力波長変換・フォーマット変換技術の研究開発 研究開発項目１ 小型波長変換・フォーマット変換用低電力デジタル信号処理技術の研究開発 研究開発項目２ 小型波長変換・フォーマット変換用フロントエンド技術の研究開発 副題：大容量光ネットワークの利用効率向上に向けた小型低電力波長変換・フォーマット変換技術の研究開発」産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000004237

【氏名又は名称】日本電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】高橋 森生

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173AB33

5F173AB45

5F173AD19

5F173AD30

5F173AR06

5F173AR99

5F173MF12

(57)【要約】

【課題】波長可変レーザに適した半導体光増幅素子を提供する。
【解決手段】半導体を用いて光を増幅する第１の光増幅用導波路と、半導体を用いて光を増幅する第２の光増幅用導波路と、導波路のループを用いて光を反射するループ導波路型反射鏡と、を備え、第１の光増幅用導波路の一方は、ループ導波路型反射鏡と接続され、第１の光増幅用導波路の他方及び第２の光増幅用導波路の他方は、同一平面の無反射終端端面が形成され、第２の光増幅用導波路の一方は、無反射終端端面が形成される、半導体光増幅素子。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体を用いて光を増幅する第１の光増幅用導波路と、
前記半導体を用いて光を増幅する第２の光増幅用導波路と、
導波路のループを用いて光を反射するループ導波路型反射鏡と、を備え、
前記第１の光増幅用導波路の一方は、前記ループ導波路型反射鏡と接続され、
前記第１の光増幅用導波路の他方及び前記第２の光増幅用導波路の他方は、同一平面の無反射終端端面が形成され、
前記第２の光増幅用導波路の一方は、無反射終端端面が形成される、半導体光増幅素子。

【請求項2】

前記第１の光増幅用導波路は、前記第２の光増幅用導波路と同一の半導体チップに形成されている、請求項１に記載の半導体光増幅素子。

【請求項3】

前記第１の光増幅用導波路の他方は、波長可変フィルタと接続されている、請求項１に記載の半導体光増幅素子。

【請求項4】

前記第１の光増幅用導波路は、レーザ用半導体光増幅器であり、
前記第２の光増幅用導波路は、光出力用半導体光増幅器である、請求項１に記載の半導体光増幅素子。

【請求項5】

前記第１の光増幅用導波路は、前記第２の光増幅用導波路と接続されている、請求項４に記載の半導体光増幅素子。

【請求項6】

前記ループ導波路型反射鏡は、前記第１の光増幅用導波路の一方と１×２の方向性結合器を用いて接続されている、請求項１に記載の半導体光増幅素子。

【請求項7】

前記ループ導波路型反射鏡は、前記第１の光増幅用導波路の一方と、１×２のＭＭI（Multi-Mode-Interference）導波路を用いて接続されている、請求項１に記載の半導体光増幅素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は半導体光増幅素子に関する。

【背景技術】

【0002】

波長可変レーザ用の半導体光増幅素子として、レーザ発振用のＳＯＡ（Semiconductor Optical amplifier）や光増幅用のＳＯＡ（レーザ発振用のＳＯＡと区別するためＢＯＡ（Booster Optical Amplifier）と呼ぶこともある）が用いられている。特許文献１の図７には、第１ＳＯＡと第２ＳＯＡを備え、第１ＳＯＡに導波路型のミラーが接続されている光集積素子が開示されている。ここで、導波路型のミラーは、回折格子ミラーである。第１ＳＯＡの役割はレーザ発振用であり、第２ＳＯＡは光増幅用である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－９８３６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、レーザ発振用の第１ＳＯＡに接続されている回折格子ミラーは、波長依存性があり、波長可変レーザのように幅広い波長帯域でレーザ発振を実現するための光利得を実現する用途としては適していない。また、回折格子ミラーは原理上、第１ＳＯＡの自然放出光全てを反射できるわけではなく、限られた波長帯域（波長可変レーザで使用する波長帯域）での反射を実現するよう設計される。そのため、使用波長帯域外の第１ＳＯＡの自然放出光は反射されずにチップ外に放出され、迷光となって波長可変レーザの動作を阻害してしまう。そこで、本開示の目的は、波長可変レーザに適した半導体光増幅素子を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の半導体光増幅素子は、
半導体を用いて光を増幅する第１の光増幅用導波路と、
前記半導体を用いて光を増幅する第２の光増幅用導波路と、
導波路のループを用いて光を反射するループ導波路型反射鏡と、を備え、
前記第１の光増幅用導波路の一方は、前記ループ導波路型反射鏡と接続され、
前記第１の光増幅用導波路の他方及び前記第２の光増幅用導波路の他方は、同一平面の無反射終端端面が形成され、
前記第２の光増幅用導波路の一方は、無反射終端端面が形成される、半導体光増幅素子である。

【発明の効果】

【0006】

本開示により、波長可変レーザに適した半導体光増幅素子が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】実施の形態にかかる半導体光増幅素子の構成を示すブロック図である。

【図2】実施の形態にかかる半導体光増幅素子の構成を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

実施の形態
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。しかしながら、特許請求の範囲にかかる発明を以下の実施の形態に限定するものではない。また、実施の形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

【0009】

（実施の形態にかかる半導体光増幅素子の説明）
図１は、実施の形態にかかる半導体光増幅素子の構成を示すブロック図である。図２は、実施の形態にかかる半導体光増幅素子の構成を示す概略図である。図１及び２を参照しながら、実施の形態にかかる半導体光増幅素子を説明する。半導体光増幅素子１００は、半導体を用いて光を増幅し、レーザ光を出射する素子である。

【0010】

図１及び２に示されるように、半導体光増幅素子１００は、半導体チップ１０５に、第１の光増幅用導波路１０１（ＳＯＡ）と、第２の光増幅用導波路１０２（ＢＯＡ）と、ループ導波路型反射鏡１０３とを備える。さらに図２に示されるように、半導体光増幅素子１００は、半導体チップ１０５に取り付けられた波長可変フィルタ１０４と、を備える。

【0011】

半導体チップ１０５および光増幅用導波路は、例えばＩｎＰ、ＧａＡｓなどの半導体、および意図的に添加する不純物（ＡｌやＰなど）などで構成される。第１の光増幅用導波路１０１を第２の光増幅用導波路１０２と同一の半導体チップ１０５に形成することで、半導体光増幅素子１００を小型にできる。また、第１の光増幅用導波路１０１を第２の光増幅用導波路１０２と同一の半導体チップ１０５に形成することで、同一の波長の光を効率よく増幅できる導波路を形成することができる。

【0012】

第１の光増幅用導波路１０１は、半導体を用いて光を増幅するレーザ発振用半導体光増幅器である。第１の光増幅用導波路１０１は、例えば赤外光付近の波長の光（波長１５００ｎｍ程度）を発振するのに用いる。第１の光増幅用導波路１０１の一方は、ループ導波路型反射鏡と接続される。また、第１の光増幅用導波路１０１の他方は、無反射終端端面（ＡＲ（Anti-Reflection）膜）が形成される。第１の光増幅用導波路１０１の他方は、波長可変フィルタ１０４と接続されている。そのため、第１の光増幅用導波路１０１からの光は、無反射終端端面を通って波長可変フィルタ１０４に入射する。波長可変フィルタ１０４で特定の波長のみを選択して、再び第１の光増幅用導波路１０１に戻るような光共振器を形成することで、第１の光増幅用導波路１０１で光共振器内部損失以上の光利得を実現することによりレーザ発振する。そして、第１の光増幅用導波路１０１を用いたレーザは、波長可変フィルタ１０４で選択する波長を変更制御することで、レーザ発振光の波長を変えることができる。

【0013】

第２の光増幅用導波路１０２は、半導体を用いて第１の光増幅用導波路１０１を用いた波長可変レーザから一部取り出したレーザ光を増幅する光出力用半導体光増幅器である。第２の光増幅用導波路１０２の一方は、無反射終端端面が形成される。また、第２の光増幅用導波路１０２の他方は、第１の光増幅用導波路１０１と同一平面の無反射終端端面が形成される。また、第２の光増幅用導波路１０２の他方は、第１の光増幅用導波路１０１と接続されている。そのため、第２の光増幅用導波路１０２は、他方から入射した光を一方へ送りながら増幅する。第２の光増幅用導波路１０２の一方から、レーザ光が出射される。

【0014】

ループ導波路型反射鏡１０３は、２入力２出力もしくは１入力２出力の方向性結合器または多モード干渉（ＭＭＩ（Multi-Mode-Interference））導波路の、２出力側を導波路でループ接続した構成を用いて光を反射する光学素子である。波長可変レーザの内部光は、ループ導波路型反射鏡１０３と波長可変フィルタ１０４にある反射鏡で形成されたレーザ共振器の内部を往復しながら、第１の光増幅用導波路で内部増幅されてレーザ発振に至る。ループ導波路型反射鏡１０３に入射した光は、一方と他方に分岐され、導波路を通って、第１の光増幅用導波路１０１に戻る。ループ導波路型反射鏡１０３は、分岐された後の二つの経路の光学距離が同じことから位相を合わせて合波できる。そのため、反射率を最大にするために、分岐される光は強度がそれぞれ５０％であることが好ましい。したがって、ループ導波路型反射鏡１０３と第１の光増幅用導波路１０１の結合は、波長依存性が小さくできるＭＭＩ導波路が用いられることが好ましいが、方向性結合器が用いられてもよい。

【0015】

波長可変フィルタ１０４は、第１の光増幅用導波路１０１を用いた波長可変レーザのレーザ発振波長を任意の波長に変えるための光学素子である。第１の光増幅用導波路１０１と波長可変フィルタ１０４の間を往復するレーザ光の波長を任意に選択して、任意の波長での単一モードのレーザ発振を実現することができる。

【0016】

上記構成により、波長可変レーザに適した半導体光増幅素子が提供される。

【0017】

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、本開示では、第１の光増幅用導波路１０１と第２の光増幅用導波路１０２を同一の半導体チップ１０５に形成した。しかしながら、さらにレーザ用半導体光増幅器である第３の光増幅用導波及び光出力用半導体光増幅器である第４の光増幅用導波路を同一の半導体チップ１０５に形成してもよい。

【0018】

上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のように記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）
半導体を用いて光を増幅する第１の光増幅用導波路と、
前記半導体を用いて光を増幅する第２の光増幅用導波路と、
導波路のループを用いて光を反射するループ導波路型反射鏡と、を備え、
前記第１の光増幅用導波路の一方は、前記ループ導波路型反射鏡と接続され、
前記第１の光増幅用導波路の他方及び前記第２の光増幅用導波路の他方は、同一平面の無反射終端端面が形成され、
前記第２の光増幅用導波路の一方は、無反射終端端面が形成される、半導体光増幅素子。
（付記２）
前記第１の光増幅用導波路は、前記第２の光増幅用導波路と同一の半導体チップに形成されている、付記１に記載の半導体光増幅素子。
（付記３）
前記第１の光増幅用導波路の他方は、波長可変フィルタと接続されている、付記１に記載の半導体光増幅素子。
（付記４）
前記第１の光増幅用導波路は、レーザ用半導体光増幅器であり、
前記第２の光増幅用導波路は、光出力用半導体光増幅器である、付記１に記載の半導体光増幅素子。
（付記５）
前記第１の光増幅用導波路は、前記第２の光増幅用導波路と接続されている、付記４に記載の半導体光増幅素子。
（付記６）
前記ループ導波路型反射鏡は、前記第１の光増幅用導波路の一方と１×２の方向性結合器を用いて接続されている、付記１に記載の半導体光増幅素子。
（付記７）
前記ループ導波路型反射鏡は、前記第１の光増幅用導波路の一方と、１×２のＭＭＩ（Multi-Mode-Interference）導波路を用いて接続されている、付記１に記載の半導体光増幅素子。

【符号の説明】

【0019】

１００ 半導体光増幅素子、１０１ 第１の光増幅用導波路、１０２ 第２の光増幅用導波路、１０３ ループ導波路型反射鏡、１０４ 波長可変フィルタ、１０５ 半導体チップ。

【図1】

【図2】