JP2010102045A - Mode synchronization semiconductor laser - Google Patents

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Hideaki Hasegawa
英明 長谷川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a mode synchronization semiconductor laser capable of outputting pulse laser light having low time jitter. <P>SOLUTION: The mode synchronization semiconductor laser includes, on a substrate made of a compound semiconductor: a whispering gallery mode resonator made of a compound semiconductor, having a circumferential part and configured such that light turns around on the inside of the circumferential part; a light amplification part made of a compound semiconductor, directly or indirectly connected to the whispering gallery mode resonator and having a light amplification gain; and an optical waveguide made of a compound semiconductor, directly or indirectly connected to the whispering gallery mode resonator and inputting/outputting light to/from the whispering gallery mode resonator. The whispering gallery mode resonator, the light amplification part and the optical waveguide are monolithically integrated and have a means of mode synchronization oscillating pulse laser light by mode synchronization. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、モード同期半導体レーザに関するものである。   The present invention relates to a mode-locked semiconductor laser.

超高速光通信においては、信号光源としてレーザが用いられているが、その特性としては、繰り返し周波数が安定しており、パルス幅が狭いことが重要となる。特に、OTDM(Optical Time Division Multiplexing)伝送において、テラビットを超える伝送容量を実現する場合には、信号光のパルス幅が1ps以下となるため、時間ジッタがそれよりも十分小さい短パルス光源が求められている。   In ultra-high speed optical communication, a laser is used as a signal light source, but as its characteristics, it is important that the repetition frequency is stable and the pulse width is narrow. In particular, in OTDM (Optical Time Division Multiplexing) transmission, when realizing a transmission capacity exceeding terabits, the pulse width of the signal light is 1 ps or less, and thus a short pulse light source with sufficiently smaller time jitter is required. ing.

パルス幅が短く、時間ジッタの小さい光パルス列を発生させる装置として、モード同期レーザがある。モード同期とは、発振するレーザ光の縦モードのモード間位相がランダムではなく、互いに位相が共調しながら発振することによって、一定の繰り返し周期のタイミングでの短光パルスが発生する現象である。   There is a mode-locked laser as an apparatus for generating an optical pulse train having a short pulse width and small time jitter. Mode synchronization is a phenomenon in which a short optical pulse is generated at a fixed repetition cycle timing when the phase between modes of the longitudinal mode of the oscillating laser light is not random but oscillates with the phases co-harmonized with each other. .

モード同期の方式には、強制モード同期、受動モード同期、ハイブリッドモード同期、および再生モード同期などがある。図12、13は、各モード同期の方式の原理を説明する説明図である。強制モード同期とは、図12(a)に示すように、半導体レーザ501の端面501aと外部反射鏡502によって外部共振器503を形成し、電源504から半導体レーザ501の活性層501bへ供給する駆動電流を変調電流とし、その変調周波数を外部共振器503の縦モード間隔に等しい周波数c/2Lとすることによって、強制的にモード同期を行う方式である。ただし、ここでcは光速であり、Lは外部共振器503の共振器長である。また、符号505は外部共振器503を往復する光パルスを示している。半導体レーザ501の活性層501bの長さは、外部共振器503の共振器長Lに対して十分に短いものとする。   Mode synchronization methods include forced mode synchronization, passive mode synchronization, hybrid mode synchronization, and reproduction mode synchronization. 12 and 13 are explanatory diagrams for explaining the principle of each mode synchronization method. As shown in FIG. 12A, forced mode synchronization is a driving in which an external resonator 503 is formed by an end face 501a of a semiconductor laser 501 and an external reflecting mirror 502, and is supplied from a power source 504 to an active layer 501b of the semiconductor laser 501. This is a mode in which mode synchronization is forcibly performed by using a current as a modulation current and setting the modulation frequency to a frequency c / 2L equal to the longitudinal mode interval of the external resonator 503. Here, c is the speed of light, and L is the resonator length of the external resonator 503. Reference numeral 505 denotes an optical pulse that reciprocates in the external resonator 503. The length of the active layer 501b of the semiconductor laser 501 is sufficiently shorter than the resonator length L of the external resonator 503.

また、受動モード同期とは、図12(b)に示すように、図12(a)と同様に、半導体レーザ506の端面506aと外部反射鏡502によって外部共振器507を形成するが、電源508から半導体レーザ506の活性層506bへ供給する駆動電流を一定の電流とし、外部共振器507の一部に可飽和吸収体506cを配置する方式である。可飽和吸収体とは、入射光強度の増加に応じて吸収係数が減少するような特性をもつ材料からなるものである。図12(b)では一例として半導体レーザ506内に形成した可飽和吸収体506cを用いている。可飽和吸収体506cが外部共振器507中に存在すると、可飽和吸収体506cは、光パルス509がそこを通過するとそれに同期して光路が開き、光パルス509が通り過ぎると光路が閉じるような光シャッタとして働くので、結果としてモード同期が行なわれ、光パルス509が外部共振器507中を往復する時間間隔、すなわち周波数としてはc/2Lの光パルス列が発生することになる。   In addition, as shown in FIG. 12B, the passive mode synchronization means that the external resonator 507 is formed by the end face 506a of the semiconductor laser 506 and the external reflecting mirror 502 as in FIG. The drive current supplied from the semiconductor laser 506 to the active layer 506b of the semiconductor laser 506 is a constant current, and the saturable absorber 506c is disposed in a part of the external resonator 507. The saturable absorber is made of a material having such a characteristic that the absorption coefficient decreases as the incident light intensity increases. In FIG. 12B, a saturable absorber 506c formed in the semiconductor laser 506 is used as an example. When the saturable absorber 506c is present in the external resonator 507, the saturable absorber 506c is light that opens in synchronization with the passage of the optical pulse 509 and closes when the optical pulse 509 passes. Since it functions as a shutter, mode synchronization is performed as a result, and a time interval in which the optical pulse 509 reciprocates in the external resonator 507, that is, a c / 2L optical pulse train as a frequency is generated.

また、ハイブリッドモード同期とは、図12(c)に示すように、強制モード同期と受動モード同期とを併用した方式である。具体的には、半導体レーザ506の活性層506bへ一定の駆動電流を供給しつつ、逆バイアスを印加すると透過率が増加するような半導体製の可飽和吸収体506cに、電源504から外部共振器507の縦モード間隔に相当する周波数c/2Lの交流信号を印加する。符号510は外部共振器507を往復する光パルスを示している。   The hybrid mode synchronization is a method using both forced mode synchronization and passive mode synchronization as shown in FIG. Specifically, a saturable absorber 506c made of a semiconductor whose transmittance increases when a reverse bias is applied while supplying a constant driving current to the active layer 506b of the semiconductor laser 506 is supplied from the power source 504 to the external resonator. An AC signal having a frequency c / 2L corresponding to the vertical mode interval of 507 is applied. Reference numeral 510 denotes an optical pulse that reciprocates in the external resonator 507.

また、再生モード同期とは、図13に示すように、半導体レーザ601から出射し、光ファイバ602を伝搬したレーザ光を、光検出器603で受光して電気信号に変換し、この電気信号を電気アンプ604で増幅し、さらに、電気フィルタ605を用いて、増幅した電気信号から基本発振周波数、もしくはその整数倍の周波数の信号を取り出して、半導体レーザ601の駆動電流に重畳する方式である。この方式は、共振器606の共振器長(半導体レーザ-光ファイバ-光検出器のループ長)を、光パルスの繰り返し周波数に正確に整合できるという利点がある。なお、τは共振器606における光の遅延時間を示している。また、このような再生モード同期方式のレーザは、電気フィルタ605の後段にカプラ607を設け、上記周波数の信号をRF(Radio Frequency)信号として出力することによって、電磁波発振器として用いることができる。また、このような再生モード同期を実現している共振器を、光-マイクロ波発振器(Optoelectronic Oscillator:OEO)と呼ぶこともある(たとえば特許文献1、2、非特許文献1参照)。   Further, as shown in FIG. 13, the reproduction mode synchronization means that laser light emitted from a semiconductor laser 601 and propagated through an optical fiber 602 is received by a photodetector 603 and converted into an electric signal, and this electric signal is converted into an electric signal. In this method, the signal is amplified by the electric amplifier 604, and a signal having a fundamental oscillation frequency or an integral multiple of the amplified electric signal is extracted from the amplified electric signal and superimposed on the driving current of the semiconductor laser 601. This method has an advantage that the resonator length of the resonator 606 (semiconductor laser-optical fiber-detector loop length) can be accurately matched to the repetition frequency of the optical pulse. Note that τ indicates the light delay time in the resonator 606. Further, such a reproduction mode synchronization type laser can be used as an electromagnetic wave oscillator by providing a coupler 607 after the electric filter 605 and outputting a signal of the above frequency as an RF (Radio Frequency) signal. A resonator that realizes such reproduction mode synchronization is sometimes called an optical-microwave oscillator (Optoelectronic Oscillator: OEO) (see, for example, Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1).

一方、従来、ささやき回廊モード(Whisper Gallery Mode:WGM)共振器とよばれる微小球、円柱状、リング状の共振器が知られている(たとえば特許文献2、3、非特許文献2〜5参照)。WGM共振器の共振モードは、たとえば微小球の場合、その外周部の内側における全内面反射によって、該球体の表面の赤道部分のまわりに近い内側領域に閉じこめられて周回する光フィールドを意味する。図14は、WGM共振器の構成を例示的に説明する説明図である。図14(a)に示すWGM共振器701は微少球であり、その外周701aの内側の赤道部分に近い領域を光702が閉じ込められて周回する。また、図14(b)に示すWGM共振器703は円柱状であり、その外周703aの内側の領域を光704が閉じ込められて周回する。また、図14(c)に示すWGM共振器705は内周部705bを有するリング状であり、その外周705aの内側の領域を光706が閉じ込められて周回する。   On the other hand, conventionally, microsphere, columnar and ring resonators called whispering gallery mode (WGM) resonators are known (see, for example, Patent Documents 2 and 3 and Non-Patent Documents 2 to 5). ). The resonance mode of the WGM resonator means, for example, in the case of a microsphere, an optical field that is confined in an inner region near the equator portion of the surface of the sphere and circulates due to total internal reflection inside the outer periphery. FIG. 14 is an explanatory diagram illustrating the configuration of the WGM resonator. The WGM resonator 701 shown in FIG. 14A is a microsphere, and the light 702 is confined and circulates in a region near the equator inside the outer periphery 701a. Further, the WGM resonator 703 shown in FIG. 14B has a cylindrical shape, and the light 704 is confined and circulates in the region inside the outer periphery 703a. Further, the WGM resonator 705 shown in FIG. 14C has a ring shape having an inner peripheral portion 705b, and the light 706 is confined around the outer periphery 705a.

特表2005−522887号公報JP-T-2005-522887 特開平8−101411号公報JP-A-8-101411 特表2004−503816号公報JP-T-2004-503816 X.S.Yao and L.Maleki, “Optoelectronic microwave oscillator”, J. Opt. Soc. Am. B, vol.13, no.8, pp.1725-1735, Aug. 1996.X.S.Yao and L.Maleki, “Optoelectronic microwave oscillator”, J. Opt. Soc. Am. B, vol.13, no.8, pp.1725-1735, Aug. 1996. A.B.Matsko et al., “Active mode locking with whispering-gallery Modes”, J. Opt. Soc. Am. B, Vol.20, No.11, pp.2292-2296(2003)A.B.Matsko et al., “Active mode locking with whispering-gallery Modes”, J. Opt. Soc. Am. B, Vol.20, No.11, pp.2292-2296 (2003) M.L.Gorodetsky et al., “Ultimate Q of optical microsphere resonators”, Opt. Lett. 21, pp.453-455(1996)M.L.Gorodetsky et al., “Ultimate Q of optical microsphere resonators”, Opt. Lett. 21, pp.453-455 (1996) D. Rabus et al., “High-Q channel-dropping filters using ring resonators with integrated SOAs”, IEEE Photon. Technol. Lett. 14, pp.1442-1444(2002)D. Rabus et al., “High-Q channel-dropping filters using ring resonators with integrated SOAs”, IEEE Photon. Technol. Lett. 14, pp.1442-1444 (2002) S.H.Kim et al., “Two-dimensional photonic crystal hexagonal waveguide ring laser”, Applied Physics Letter Vol.81 pp.2499-2501(2002)S.H.Kim et al., “Two-dimensional photonic crystal hexagonal waveguide ring laser”, Applied Physics Letter Vol.81 pp.2499-2501 (2002)

ところで、モード同期レーザの重要な特性である光パルスの時間ジッタは、主にそのモード同期レーザのレーザ共振器のQ値に大きく依存する。ここで、Q値は、式(1)で表される。   By the way, the time jitter of the optical pulse, which is an important characteristic of the mode-locked laser, largely depends mainly on the Q value of the laser resonator of the mode-locked laser. Here, the Q value is expressed by Expression (1).

Figure 2010102045
Figure 2010102045

なお、foscは光パルスの繰り返し周波数、ngはレーザ共振器内の群屈折率、Loptは共振器長、cは光速、δはレーザ共振器の損失定数、τdelayはレーザ共振器の光の遅延時間である。モード同期レーザの光パルスの時間ジッタは、このQ値が高いほど小さくなり、すなわち特性が良くなる。 Where f osc is the optical pulse repetition frequency, ng is the group refractive index in the laser resonator, L opt is the resonator length, c is the speed of light, δ is the loss constant of the laser resonator, and τ delay is the laser resonator This is the light delay time. The time jitter of the optical pulse of the mode-locked laser is smaller as the Q value is higher, that is, the characteristics are improved.

しかしながら、従来の典型的な繰り返し周波数40Gb/sのモード同期半導体レーザは、その共振器長Loptが1.1mm程度と短いため、Q値は小さい。このため、この半導体レーザの時間ジッタは、繰り返し周波数40GHzの場合において0.2ps前後となる。一方、上述したように、Tb/s以上の伝送容量のOTDM伝送を実現する場合には、信号光のパルス幅が1ps以下となるため、従来のモード同期半導体レーザを用いた場合には、半導体レーザの時間ジッタと信号光のパルス幅が同程度の大きさとなるため、エラーレートの増加等の原因となり、好ましくない。したがって、Tb/s以上のOTDM伝送用の光源として、時間ジッタがより小さい半導体レーザが求められていた。 However, the conventional typical mode-locked semiconductor laser having a repetition frequency of 40 Gb / s has a small Q value because its resonator length Lopt is as short as about 1.1 mm. For this reason, the time jitter of this semiconductor laser is about 0.2 ps when the repetition frequency is 40 GHz. On the other hand, as described above, when OTDM transmission with a transmission capacity of Tb / s or more is realized, the pulse width of the signal light is 1 ps or less. Therefore, when a conventional mode-locked semiconductor laser is used, a semiconductor is used. Since the time jitter of the laser and the pulse width of the signal light have the same size, it causes an increase in the error rate, which is not preferable. Therefore, a semiconductor laser having a smaller time jitter has been demanded as a light source for OTDM transmission of Tb / s or more.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、時間ジッタが小さいパルスレーザ光を出力できるモード同期半導体レーザを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a mode-locked semiconductor laser capable of outputting pulsed laser light with small time jitter.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るモード同期半導体レーザは、化合物半導体からなる基板上に、ささやき回廊モード共振器が外周部を有し、該外周部の内側を光が周回するように構成した化合物半導体製のささやき回廊モード共振器と、前記ささやき回廊モード共振器に直接、もしくは間接的に接続し、光増幅利得を有する化合物半導体製の光増幅部と、前記ささやき回廊モード共振器に直接、もしくは間接的に接続し、該ささやき回廊モード共振器に光を入出力する化合物半導体製の光導波路とを有し、前記ささやき回廊モード共振器と前記光増幅部と光導波路がモノリシックに集積され、モード同期によりパルスレーザ光を発振するモード同期の手段を有する。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a mode-locked semiconductor laser according to the present invention has a whispering gallery mode resonator having an outer peripheral portion on a substrate made of a compound semiconductor, and an inner side of the outer peripheral portion. Whispering gallery mode resonator made of compound semiconductor configured to circulate light, and directly or indirectly connected to the whispering gallery mode resonator, an optical amplification unit made of compound semiconductor having optical amplification gain, and An optical waveguide made of a compound semiconductor that is directly or indirectly connected to the whispering gallery mode resonator and inputs / outputs light to / from the whispering gallery mode resonator, and the whispering gallery mode resonator and the optical amplification unit, The optical waveguide is monolithically integrated and has mode-locking means for oscillating pulsed laser light by mode-locking.

また、本発明に係るモード同期半導体レーザは、化合物半導体からなる基板上に、ささやき回廊モード共振器が光増幅利得を有する活性層を備えるとともに外周部を有し、該外周部の内側を光が周回するように構成した化合物半導体製のささやき回廊モード共振器を有し、前記ささやき回廊モード共振器に直接、もしくは間接的に接続し、該ささやき回廊モード共振器に光を入出力する化合物半導体製の光導波路とささやき回廊モード共振器がモノリシックに集積され、モード同期によりパルスレーザ光を発振するモード同期の手段を有する。   Further, in the mode-locked semiconductor laser according to the present invention, the whispering gallery mode resonator includes an active layer having an optical amplification gain on a substrate made of a compound semiconductor, and has an outer peripheral portion, and light is emitted inside the outer peripheral portion. A compound semiconductor whispering gallery mode resonator configured to circulate, connected directly or indirectly to the whispering gallery mode resonator, and made of compound semiconductor that inputs and outputs light to the whispering gallery mode resonator These optical waveguides and whispering gallery mode resonators are monolithically integrated and have mode-locking means for oscillating pulsed laser light by mode-locking.

また、本発明に係るモード同期半導体レーザは、上記の発明において、前記モード同期の手段は、前記パルスレーザ光の一部を受光し電気信号に変換する化合物半導体製の光検出部と、前記光検出部に接続し、前記電気信号に含まれる前記パルスレーザ光の遅延時間により定まる基本発振周波数の成分または該基本発振周波数の高調波の成分を、電極構造を介して印加することにより駆動するレーザ光を変調する光変調部とを備えることを特徴とする。   In the mode-locked semiconductor laser according to the present invention, in the above-described invention, the mode-locking means includes a compound semiconductor light detection unit that receives a part of the pulsed laser light and converts it into an electrical signal, and the light. A laser that is connected to a detection unit and driven by applying a fundamental oscillation frequency component or a harmonic component of the fundamental oscillation frequency determined by the delay time of the pulsed laser light included in the electrical signal via an electrode structure And a light modulation unit that modulates light.

また、本発明に係るモード同期半導体レーザは、上記の発明において、前記モード同期の手段は、前記パルスレーザ光の一部を受光し電気信号に変換する化合物半導体製の光検出部と、前記光検出部に接続し、前記電気信号に含まれる前記パルスレーザ光の遅延時間により定まる基本発振周波数の成分または該基本発振周波数の高調波の成分で電極構造を介して前記パルスレーザの注入電流を変調することを特徴とする。   In the mode-locked semiconductor laser according to the present invention, in the above-described invention, the mode-locking means includes a compound semiconductor light detection unit that receives a part of the pulsed laser light and converts it into an electrical signal, and the light. Connected to a detector and modulates the injection current of the pulse laser via the electrode structure with a fundamental oscillation frequency component or a harmonic component of the fundamental oscillation frequency determined by the delay time of the pulse laser light included in the electrical signal It is characterized by doing.

また、本発明に係るモード同期半導体レーザは、上記の発明において、前記光変調部は、可飽和吸収体からなることを特徴とする。   In the mode-locked semiconductor laser according to the present invention as set forth in the invention described above, the light modulation section is made of a saturable absorber.

また、本発明に係るモード同期半導体レーザは、上記の発明において、前記光変調部は、マッハツェンダ変調器からなることを特徴とする。   The mode-locked semiconductor laser according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the optical modulation section is composed of a Mach-Zehnder modulator.

また、本発明に係るモード同期半導体レーザは、上記の発明において、前記活性層を備えるささやき回廊モード共振器は、ハイメサ形状を有するとともに、該ハイメサ形状の側面における少なくとも前記活性層の表面に、該活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する保護層が形成されたことを特徴とする。   In the mode-locked semiconductor laser according to the present invention, in the above invention, the whispering gallery mode resonator including the active layer has a high mesa shape, and at least on the surface of the active layer on the side surface of the high mesa shape, A protective layer having a band gap energy larger than that of the active layer is formed.

また、本発明に係るモード同期半導体レーザは、上記の発明において、前記ささやき回廊モード共振器の外周部は円状であり、前記光導波路は該外周部の接線方向に沿って光を入出力するように配置されることを特徴とする。   In the mode-locked semiconductor laser according to the present invention, in the above invention, the whispering gallery mode resonator has a circular outer periphery, and the optical waveguide inputs and outputs light along a tangential direction of the outer periphery. It is arranged so that it may be arranged.

また、本発明に係るモード同期半導体レーザは、上記の発明において、前記ささやき回廊モード共振器は、半導体積層方向に垂直な面内において2次元的な屈折率の周期構造を形成するフォトニック結晶内において、光を導波すべき線欠陥部を設けて形成しており、該線欠陥部はループ形状であることを特徴とする。   The mode-locked semiconductor laser according to the present invention is the above-described invention, wherein the whispering gallery mode resonator has a two-dimensional refractive index periodic structure in a plane perpendicular to the semiconductor lamination direction. In FIG. 2, a line defect portion to which light is guided is provided, and the line defect portion has a loop shape.

また、本発明に係るモード同期半導体レーザは、上記の発明において、さらに、前記電気信号に含まれる前記基本発振周波数の成分または前記高調波の成分を出力する出力端子を備え、外部に電磁波を取り出せることを特徴とする。   The mode-locked semiconductor laser according to the present invention further includes an output terminal for outputting the fundamental oscillation frequency component or the harmonic component included in the electrical signal in the above invention, and can extract electromagnetic waves to the outside. It is characterized by that.

本発明によれば、モード同期半導体レーザのレーザ共振器の一部にWGM共振器を導入することによって、レーザ共振器内の光子寿命を長くし、それによりレーザ共振器のQ値を高めることができるので、時間ジッタが小さいパルスレーザ光を出力できるモード同期半導体レーザを実現できるという効果を奏する。   According to the present invention, by introducing the WGM resonator to a part of the laser resonator of the mode-locked semiconductor laser, the photon lifetime in the laser resonator can be extended, thereby increasing the Q value of the laser resonator. Therefore, it is possible to realize a mode-locked semiconductor laser that can output pulsed laser light with small time jitter.

以下に、図面を参照して本発明に係るモード同期半導体レーザの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。なお、各図面において、同一の構成要素には同一の符号を付している。   Embodiments of a mode-locked semiconductor laser according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係るモード同期半導体レーザの模式的な平面図である。図1に示すように、このモード同期半導体レーザ100は、化合物半導体からなる基板1上に、それぞれが化合物半導体製の、WGM共振器2、光導波路3〜6、およびモード同期手段としての光変調部である可飽和吸収部7がモノリシックに集積されたものである。WGM共振器2、光導波路3〜6、および可飽和吸収部7はハイメサ形状を有しており、その周囲を絶縁材料のポリイミド8によって埋め込まれている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic plan view of a mode-locked semiconductor laser according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, this mode-locked semiconductor laser 100 includes a WGM resonator 2, optical waveguides 3 to 6, and optical modulation as mode-locking means each made of a compound semiconductor on a substrate 1 made of a compound semiconductor. This is a monolithically integrated saturable absorber 7. The WGM resonator 2, the optical waveguides 3 to 6, and the saturable absorber 7 have a high mesa shape, and are surrounded by polyimide 8 that is an insulating material.

WGM共振器2は、リング状に形成されており、円状の外周部を有する。光導波路3、5は、互いにほぼ平行に直線状に形成されており、それぞれWGM共振器2に、WGM共振器2の接線方向に沿うように接続している。可飽和吸収部7は、直線状に形成されており、光導波路3と4の間に介挿されている。光導波路4は、直線状に形成されており、その端面4aが誘電体等により例えば反射率が99%程度となるようにHR(High Reflection)コーティングされている。また、光導波路5は、その端面5aが誘電体等により透過率10%程度となるようにコーティングされている。また、光導波路6は、直線状に形成されているとともに、光導波路5と同一線上に配置されている。また、光導波路6は、その端面6aが角度7°の斜め端面に形成されており、もう一方の端面6bは、反射率が極めて小さくなるようにAR(Anti-Reflection)コーティングされている。また、WGM共振器2上には電極9aが形成されており、可飽和吸収部7上には電極9bが形成されている。また、電極9a、9bにはそれぞれリード線10a、10bが接続されている。   The WGM resonator 2 is formed in a ring shape and has a circular outer peripheral portion. The optical waveguides 3 and 5 are linearly formed substantially parallel to each other, and are respectively connected to the WGM resonator 2 along the tangential direction of the WGM resonator 2. The saturable absorber 7 is formed in a straight line and is interposed between the optical waveguides 3 and 4. The optical waveguide 4 is formed in a straight line, and its end face 4a is coated with HR (High Reflection) so that the reflectivity becomes, for example, about 99% by a dielectric or the like. The optical waveguide 5 is coated so that its end surface 5a has a transmittance of about 10% with a dielectric or the like. The optical waveguide 6 is formed in a straight line and is disposed on the same line as the optical waveguide 5. The end face 6a of the optical waveguide 6 is formed as an oblique end face with an angle of 7 °, and the other end face 6b is AR (Anti-Reflection) coated so that the reflectance becomes extremely small. Further, an electrode 9 a is formed on the WGM resonator 2, and an electrode 9 b is formed on the saturable absorber 7. Lead wires 10a and 10b are connected to the electrodes 9a and 9b, respectively.

WGM共振器2、光導波路3〜6、および可飽和吸収部7のメサ幅はいずれも2μmである。また、WGM共振器2の直径は1.2mmであり、電極9aのサイズは、紙面上の(縦の長さ)×(横の長さ)で表すと、200μm×1.5mmである。また、可飽和吸収部7の長さは75μmであり、電極9bのサイズは75μm×75μmである。また、光導波路4と可飽和吸収部7と光導波路3との合計の長さは1000μmである。また、光導波路5の長さは800μmである。したがって、このモード同期半導体レーザ100のサイズは、2mm×2mmであり、きわめて小型に集積されている。   The mesa widths of the WGM resonator 2, the optical waveguides 3 to 6, and the saturable absorber 7 are all 2 μm. The diameter of the WGM resonator 2 is 1.2 mm, and the size of the electrode 9a is 200 μm × 1.5 mm in terms of (vertical length) × (horizontal length) on the paper surface. The length of the saturable absorber 7 is 75 μm, and the size of the electrode 9b is 75 μm × 75 μm. The total length of the optical waveguide 4, the saturable absorber 7, and the optical waveguide 3 is 1000 μm. The length of the optical waveguide 5 is 800 μm. Therefore, the size of the mode-locked semiconductor laser 100 is 2 mm × 2 mm, and it is integrated in a very small size.

つぎに、このモード同期半導体レーザ100の断面構造について説明する。図2は、図1におけるA−A´線断面図である。図2に示すように、WGM共振器2は、アクティブ素子であり、裏面にn側電極11が形成された基板1上に、バッファ層12、活性層13、上部クラッド層14、コンタクト層15、p側電極16が順次積層して構成されている。バッファ層12は突出部12aを有し、突出部12aからコンタクト層15までがハイメサ形状を有している。また、このハイメサ形状の側面およびバッファ層12の表面は、保護層17でパッシベーションされている。なお、基板1、バッファ層12は、いずれもn−InPからなる。また、活性層13は、InGaAsPからなり、6層の多重量子井戸性層(multi-quantum well:MQW)の両側にバッファ層12および上部クラッド層14よりも屈折率の大きい光ガイド層を設けた分離閉じ込めヘテロ(separate confinement heterostructure:SCH)構造を有する。また、上部クラッド層14は、p−InPからなる。また、コンタクト層15は、InGaAsPからなる。また、保護層17は、活性層13のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する材料からなり、たとえばInPからなる。また、突出部12aの下面からコンタクト層15の上面までの高さは約3.6μmである。なお、他のアクティブ素子である可飽和吸収部7も、このWGM共振器2と同一の積層構造を有している。   Next, the cross-sectional structure of this mode-locked semiconductor laser 100 will be described. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG. As shown in FIG. 2, the WGM resonator 2 is an active element, and a buffer layer 12, an active layer 13, an upper clad layer 14, a contact layer 15, on a substrate 1 on which an n-side electrode 11 is formed on the back surface. A p-side electrode 16 is sequentially laminated. The buffer layer 12 has a protruding portion 12a, and the portion from the protruding portion 12a to the contact layer 15 has a high mesa shape. Further, the side surface of the high mesa shape and the surface of the buffer layer 12 are passivated by a protective layer 17. The substrate 1 and the buffer layer 12 are both made of n-InP. The active layer 13 is made of InGaAsP, and a light guide layer having a refractive index larger than that of the buffer layer 12 and the upper clad layer 14 is provided on both sides of the six multi-quantum well layers (MQW). It has a separate confinement heterostructure (SCH) structure. The upper cladding layer 14 is made of p-InP. The contact layer 15 is made of InGaAsP. The protective layer 17 is made of a material having a band gap energy larger than that of the active layer 13, and is made of InP, for example. The height from the lower surface of the protrusion 12a to the upper surface of the contact layer 15 is about 3.6 μm. The saturable absorber 7 which is another active element also has the same laminated structure as the WGM resonator 2.

一方、図3は、図1におけるB−B´線断面図である。図3に示すように、光導波路5は、パッシブ素子であり、裏面にn側電極11が形成された基板1上に、バッファ層12、コア層18、上部クラッド層19、SiNx膜20が順次積層して構成されている。バッファ層12は突出部12aを有し、突出部12aからSiNx膜20までがハイメサ形状を有している。また、このハイメサ形状の側面およびバッファ層12の表面は、保護層17でパッシベーションされている。なお、コア層18は、InGaAsPからなる。また、上部クラッド層19は、p−InPからなる。また、突出部12aの下面から上部クラッド層19の上面までの高さは約3.1μmである。また、他のパッシブ素子である光導波路3、4、6も、この光導波路5と同一の積層構造を有している。   On the other hand, FIG. 3 is a sectional view taken along line BB ′ in FIG. As shown in FIG. 3, the optical waveguide 5 is a passive element, and a buffer layer 12, a core layer 18, an upper clad layer 19, and a SiNx film 20 are sequentially formed on a substrate 1 having an n-side electrode 11 formed on the back surface. It is configured by stacking. The buffer layer 12 has a protruding portion 12a, and the protruding portion 12a to the SiNx film 20 have a high mesa shape. Further, the side surface of the high mesa shape and the surface of the buffer layer 12 are passivated by a protective layer 17. The core layer 18 is made of InGaAsP. The upper cladding layer 19 is made of p-InP. The height from the lower surface of the protruding portion 12a to the upper surface of the upper cladding layer 19 is about 3.1 μm. Further, the optical waveguides 3, 4 and 6 which are other passive elements also have the same laminated structure as the optical waveguide 5.

つぎに、このモード同期半導体レーザ100をハイブリッドモード同期方式で動作させる場合について説明する。はじめに、リード線10a、電極9aを介して、n側電極11、p側電極16間にDC電圧を印加し、駆動電流を流すと、WGM共振器2の活性層13に電流が注入され、活性層13が1.55μm帯の光を発光する。この光は、活性層13においてWGM共振器2の外周部の内側をWGMモードで周回するとともに、光導波路3、5に入出力し、光導波路3〜5のコア層18、および可飽和吸収部7の活性層13を導波する。   Next, a case where the mode-locked semiconductor laser 100 is operated in a hybrid mode-locked manner will be described. First, when a DC voltage is applied between the n-side electrode 11 and the p-side electrode 16 via the lead wire 10a and the electrode 9a and a driving current is passed, current is injected into the active layer 13 of the WGM resonator 2 and activated. Layer 13 emits light in the 1.55 μm band. This light circulates inside the outer periphery of the WGM resonator 2 in the active layer 13 in the WGM mode, and is input to and output from the optical waveguides 3 and 5, the core layer 18 of the optical waveguides 3 to 5, and the saturable absorber. 7 active layer 13 is guided.

ここで、WGM共振器2、光導波路3〜5、および可飽和吸収部7は、端面4a、5aを端面とするレーザ共振器を構成している。また、WGM共振器2の活性層13は、光増幅利得を有する光増幅部として機能する。その結果、WGM共振器2の活性層13において発生した光は、このレーザ共振器によってレーザ発振する。なお、上述したように、WGM共振器2、光導波路3〜6、および可飽和吸収部7のメサ幅はいずれも2μmであり、かつ、WGM共振器2および可飽和吸収部7の活性層13の厚さ、および光導波路3〜6のコア層18の厚さはいずれも0.3μmであり、かつバッファ層12の突出部12aの厚さは0.5μmである。したがって、レーザ共振器となる光導波路は1.55μm帯の波長において単一横モードの条件をみたしており、上記レーザ発振するレーザ光は単一横モードとなる。また、活性層13の側面には活性層13のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する保護層17が形成されているため、活性層13の側面での表面再結合が防止され、発光効率の低下が防止される。   Here, the WGM resonator 2, the optical waveguides 3 to 5, and the saturable absorber 7 constitute a laser resonator having end faces 4a and 5a as end faces. Further, the active layer 13 of the WGM resonator 2 functions as an optical amplification unit having an optical amplification gain. As a result, the light generated in the active layer 13 of the WGM resonator 2 is oscillated by the laser resonator. As described above, the mesa widths of the WGM resonator 2, the optical waveguides 3 to 6, and the saturable absorber 7 are all 2 μm, and the active layer 13 of the WGM resonator 2 and the saturable absorber 7. And the thickness of the core layer 18 of the optical waveguides 3 to 6 are both 0.3 μm, and the thickness of the protruding portion 12a of the buffer layer 12 is 0.5 μm. Therefore, the optical waveguide serving as a laser resonator satisfies the condition of a single transverse mode at a wavelength of 1.55 μm band, and the laser light that oscillates is in a single transverse mode. Further, since the protective layer 17 having a band gap energy larger than the band gap energy of the active layer 13 is formed on the side surface of the active layer 13, surface recombination on the side surface of the active layer 13 is prevented, and the light emission efficiency. Is prevented.

一方、上記レーザ発振と同時に、リード線10b、電極9bを介して、n側電極11と可飽和吸収部7のp側電極間に、逆バイアスとしてのDC電圧および、シンセサイザで発生させた所定の周波数のRF電圧信号を印加する。すると、可飽和吸収部7の光シャッタ効果によって、上記レーザ共振器においてハイブリッドモード同期が実現される。その結果、光導波路5の端面5aからはパルスレーザ光が出力する。このパルスレーザ光は、光導波路6の端面6aに入射し、もう一方の端面6bからモード同期半導体レーザ100の外部に出力する。なお、端面6aは斜め端面であるため、端面6aで反射した光が光導波路5へ戻ることが防止されている。   On the other hand, simultaneously with the laser oscillation, a DC voltage as a reverse bias and a predetermined synthesizer generated between the n-side electrode 11 and the p-side electrode of the saturable absorber 7 via the lead wire 10b and the electrode 9b. An RF voltage signal having a frequency is applied. Then, hybrid mode locking is realized in the laser resonator by the optical shutter effect of the saturable absorber 7. As a result, pulsed laser light is output from the end face 5 a of the optical waveguide 5. This pulsed laser light is incident on the end face 6 a of the optical waveguide 6 and is output to the outside of the mode-locked semiconductor laser 100 from the other end face 6 b. Since the end face 6a is an oblique end face, the light reflected by the end face 6a is prevented from returning to the optical waveguide 5.

このモード同期半導体レーザ100においては、レーザ共振器の一部にWGM共振器2が導入されているので、小型でありながら、出力されるパルスレーザ光の時間ジッタがきわめて小さいものとなる。すなわち、上述したように、モード同期レーザの光パルスの時間ジッタは、Q値が高いほど小さくなる。一方、このWGM共振器2は、光がその外周部の内側をWGMモードで周回するので、Q値がきわめて高くなるため、時間ジッタがきわめて小さいものとなるのである。なお、WGM共振器のQ値は主に表面の凸凹による散乱、吸収損、および体積などによって決定する。WGM共振器のQ値と損失、直径との関係については、非特許文献3に記載されている。なお、本実施の形態1に係るWGM共振器2は、InP系の半導体材料を用いたリング型のWGM共振器であるが、この場合、直径1.2mmの場合にQ値は130,000程度ときわめて大きい(非特許文献4参照)。   In this mode-locked semiconductor laser 100, since the WGM resonator 2 is introduced into a part of the laser resonator, the time jitter of the output pulse laser beam is extremely small while being small. That is, as described above, the time jitter of the optical pulse of the mode-locked laser decreases as the Q value increases. On the other hand, since the WGM resonator 2 circulates in the WGM mode inside the outer periphery of the WGM resonator 2, the Q value becomes extremely high, so that the time jitter becomes extremely small. Note that the Q value of the WGM resonator is mainly determined by scattering due to unevenness of the surface, absorption loss, volume, and the like. The relationship between the Q value, loss, and diameter of the WGM resonator is described in Non-Patent Document 3. The WGM resonator 2 according to the first embodiment is a ring-type WGM resonator using an InP-based semiconductor material. In this case, when the diameter is 1.2 mm, the Q value is about 130,000. And extremely large (see Non-Patent Document 4).

なお、WGM共振器2の光子寿命をτWGM,delayとすると、τWGM, delayは下記の式(2)で与えられる。 When the photon lifetime of the WGM resonator 2 is τ WGM, delay , τ WGM, delay is given by the following equation (2).

Figure 2010102045
Figure 2010102045

なお、QWGMはWGM共振器2のQ値、foptは光の周波数である。式(2)を用いると、波長が1.55μm帯の光については、Q値が130,000程度の場合、光子寿命τWGM, delayは100ps程度となる。 Q WGM is the Q value of the WGM resonator 2, and f opt is the frequency of light. Using equation (2), for light with a wavelength of 1.55 μm, when the Q value is about 130,000, the photon lifetime τ WGM, delay is about 100 ps.

一方、可飽和吸収部7に印加すべきRF信号の周波数をfrepとすると、frepは以下の式(3)で与えられる。 On the other hand, if the frequency of the RF signal to be applied to the saturable absorber 7 is f rep , f rep is given by the following equation (3).

Figure 2010102045
Figure 2010102045

なお、Nは整数であり、LoptはWGM共振器2以外の部分、すなわち光導波路3〜6および可飽和吸収部7の合計の共振器長である。式(3)を用いると、本実施の形態1に係るモード同期半導体レーザ100の場合、frepを4.19GHzの整数倍に設定する必要がある。 Note that N is an integer, and L opt is the total resonator length of portions other than the WGM resonator 2, that is, the optical waveguides 3 to 6 and the saturable absorber 7. When Expression (3) is used, in the case of the mode-locked semiconductor laser 100 according to the first embodiment, it is necessary to set f rep to an integral multiple of 4.19 GHz.

次に、このモード同期半導体レーザ100と従来の半導体レーザの性能比較を行う。このモード同期半導体レーザ100のQ値を式(4)に示す。   Next, the performance comparison between this mode-locked semiconductor laser 100 and a conventional semiconductor laser is performed. The Q value of this mode-locked semiconductor laser 100 is shown in equation (4).

Figure 2010102045
Figure 2010102045

なお、δはレーザ共振器の損失定数である。すなわち、Q値は、光子寿命τWGM, delayに比例する。光導波路3〜6および可飽和吸収部7の部分の光子寿命は、19.2psであるから、このモード同期半導体レーザ100のレーザ共振器の全体の光子寿命は、式(4)の係数2を加味して、19.2ps×2+100ps×2=238psとなる。一方、従来の共振器長が1.1mmである半導体レーザでは、光子寿命は23.4psである。したがって、損失定数が同じだとすると、このモード同期半導体レーザ100は従来の半導体レーザよりも約1桁もQ値が高いことがわかる。 Here, δ is a loss constant of the laser resonator. That is, the Q value is proportional to the photon lifetime τ WGM, delay . Since the photon lifetimes of the portions of the optical waveguides 3 to 6 and the saturable absorber 7 are 19.2 ps, the total photon lifetime of the laser resonator of the mode-locked semiconductor laser 100 is expressed by the coefficient 2 in Equation (4). Taking this into account, 19.2 ps × 2 + 100 ps × 2 = 238 ps. On the other hand, a conventional semiconductor laser having a resonator length of 1.1 mm has a photon lifetime of 23.4 ps. Therefore, if the loss constant is the same, it can be seen that the Q-semiconductor laser 100 has a Q value that is about one digit higher than that of the conventional semiconductor laser.

一方、モード同期レーザにおいて、パルス光の時間ジッタΔτとQ値とは、近似的に以下の式(5)に示す関係を満たす。   On the other hand, in the mode-locked laser, the time jitter Δτ and the Q value of the pulsed light approximately satisfy the relationship expressed by the following equation (5).

Figure 2010102045
Figure 2010102045

なお、τは光パルスの繰り返し時間間隔である。式(5)に示すように、時間ジッタΔτとQ値とは反比例の関係にあることがわかる。したがって、このモード同期半導体レーザ100は従来の半導体レーザよりも約1桁も時間ジッタが小さいことがわかる。   Note that τ is the optical pulse repetition time interval. As shown in the equation (5), it can be seen that the time jitter Δτ and the Q value are in an inversely proportional relationship. Therefore, it can be seen that this mode-locked semiconductor laser 100 has a time jitter that is about an order of magnitude smaller than that of the conventional semiconductor laser.

以上説明したように、本実施の形態1に係るモード同期半導体レーザ100は、従来の半導体レーザよりも時間ジッタがきわめて小さいパルスレーザ光を出力できるものとなり、Tb/s以上のOTDM伝送用の光源として好適なものとなる。   As described above, the mode-locked semiconductor laser 100 according to the first embodiment can output pulsed laser light with extremely small time jitter as compared with the conventional semiconductor laser, and is a light source for OTDM transmission of Tb / s or more. It becomes suitable as.

なお、上記では、本実施の形態1に係るモード同期半導体レーザ100をハイブリッドモード同期方式で動作させる場合について説明した。しかしながら、モード同期半導体レーザ100は、可飽和吸収部7に電圧を印加しないことによって、受動モード同期方式で動作させることもできる。なお、受動モード同期方式で動作させても、このモード同期半導体レーザ100は、時間ジッタがきわめて小さいパルスレーザ光を出力できる。   In the above description, the mode-locked semiconductor laser 100 according to the first embodiment has been described as operating in the hybrid mode-locked mode. However, the mode-locked semiconductor laser 100 can be operated in a passive mode-locked manner by not applying a voltage to the saturable absorber 7. Even if the mode-locked semiconductor laser 100 is operated by the passive mode-locking method, the mode-locked semiconductor laser 100 can output pulsed laser light with extremely small time jitter.

また、本実施の形態1に係るモード同期半導体レーザ100は、変調部としての可飽和吸収部7をマッハツェンダ変調器等の変調器に置き換えることによって、強制モード同期方式で動作させることもできる。   In addition, the mode-locked semiconductor laser 100 according to the first embodiment can be operated in a forced mode-locking system by replacing the saturable absorber 7 serving as a modulator with a modulator such as a Mach-Zehnder modulator.

(実施の形態2)
つぎに、本発明の実施の形態2に係るモード同期半導体レーザについて説明する。本実施の形態2に係るモード同期半導体レーザは、再生モード同期方式で動作させるものである。
(Embodiment 2)
Next, a mode-locked semiconductor laser according to Embodiment 2 of the present invention will be described. The mode-locked semiconductor laser according to the second embodiment is operated by the reproduction mode synchronization method.

図4は、本実施の形態2に係るモード同期半導体レーザの模式的な平面図である。図4に示すように、このモード同期半導体レーザ200は、図1に示すモード同期半導体レーザ100において、光導波路6を削除し、光導波路5を光導波路22に置き換え、電極9bを電極9eに置き換え、さらに、光導波路21、電極9c、9d、およびリード線10c、および再生モード同期手段の一部としての光検出部23を付加した構造を有している。さらに、光導波路4の端面4aを、透過率10%程度となるようにコーティングしている。   FIG. 4 is a schematic plan view of the mode-locked semiconductor laser according to the second embodiment. As shown in FIG. 4, the mode-locked semiconductor laser 200 is the same as the mode-locked semiconductor laser 100 shown in FIG. 1, except that the optical waveguide 6 is deleted, the optical waveguide 5 is replaced with the optical waveguide 22, and the electrode 9b is replaced with the electrode 9e. Furthermore, the optical waveguide 21, the electrodes 9c and 9d, the lead wire 10c, and the light detection unit 23 as a part of the reproduction mode synchronization means are added. Further, the end face 4a of the optical waveguide 4 is coated so as to have a transmittance of about 10%.

光導波路21、22、光検出部23はハイメサ形状を有している。また、光導波路22は、光導波路3とほぼ平行に直線状に形成されており、WGM共振器2に、WGM共振器2の接線方向に沿うように接続している。光検出部23は、直線状に形成されており、光導波路22に接続している。また、光導波路21は、直線状に形成されているとともに、光導波路4と同一線上に配置されている。また、光導波路21は、その端面21aが角度7°の斜め端面に形成されており、もう一方の端面21bは、ARコーティングされている。電極9eは、可飽和吸収部7上のWGM共振器2に近い領域に形成されている。また、電極9cは、光検出部23上のWGM共振器2に近い領域に形成されている。また、電極9dは、可飽和吸収部7上のWGM共振器2から遠い領域から、光検出部23上のWGM共振器2から遠い領域にわたり、さらに紙面右側の基板1の端部まで延伸するように形成されている。また、電極9e、9cにはそれぞれリード線10b、10cが接続されている。   The optical waveguides 21 and 22 and the light detection unit 23 have a high mesa shape. The optical waveguide 22 is linearly formed substantially parallel to the optical waveguide 3, and is connected to the WGM resonator 2 along the tangential direction of the WGM resonator 2. The light detection unit 23 is formed in a straight line and is connected to the optical waveguide 22. The optical waveguide 21 is formed in a straight line and is disposed on the same line as the optical waveguide 4. Further, the end face 21a of the optical waveguide 21 is formed as an oblique end face having an angle of 7 °, and the other end face 21b is AR-coated. The electrode 9 e is formed in a region near the WGM resonator 2 on the saturable absorber 7. The electrode 9 c is formed in a region near the WGM resonator 2 on the light detection unit 23. The electrode 9d extends from a region far from the WGM resonator 2 on the saturable absorber 7 to a region far from the WGM resonator 2 on the light detection unit 23 and further extends to the end of the substrate 1 on the right side of the paper. Is formed. Also, lead wires 10b and 10c are connected to the electrodes 9e and 9c, respectively.

光導波路21、22、光検出部23のメサ幅はいずれも2μmである。また、光検出部23の長さは100μmである。また、電極9c、9eのサイズはいずれも45μm×75μmである。また、電極9dのサイズは30μm×2mmである。また、光導波路22の長さは800μmである。したがって、このモード同期半導体レーザ200のサイズは、5mm×5mmであり、きわめて小型に集積されている。   The mesa widths of the optical waveguides 21 and 22 and the light detection unit 23 are all 2 μm. The length of the light detection unit 23 is 100 μm. The size of the electrodes 9c and 9e is 45 μm × 75 μm. The size of the electrode 9d is 30 μm × 2 mm. The length of the optical waveguide 22 is 800 μm. Therefore, the mode-locked semiconductor laser 200 has a size of 5 mm × 5 mm and is integrated in a very small size.

なお、光検出部23は、アクティブ素子であり、図2に示すWGM共振器2と同様の断面構造を有しており、フォトダイオードとして機能する。また、光導波路21、22は、パッシブ素子であり、図3に示す光導波路5と同様の断面構造を有している。   Note that the light detection unit 23 is an active element, has the same cross-sectional structure as the WGM resonator 2 shown in FIG. 2, and functions as a photodiode. The optical waveguides 21 and 22 are passive elements and have the same cross-sectional structure as the optical waveguide 5 shown in FIG.

つぎに、このモード同期半導体レーザ200を再生モード同期方式で動作させる場合について説明する。はじめに、リード線10a、電極9aを介して、WGM共振器2のn側電極−p側電極間にDC電圧を印加し、駆動電流を流すと、WGM共振器2の活性層に電流が注入され、この活性層が1.55μm帯の光を発光する。ここで、WGM共振器2、光導波路3、4及び22は、WGM共振器2をリング共振器とし、端面4aと端面22aを共振器の端面とするレーザ共振器を構成している。また、WGM共振器2の活性層13は、光増幅利得を有する。その結果、WGM共振器2の活性層13において発生した光は、このレーザ共振器によってレーザ発振する。なお、レーザ共振器となる光導波路はいずれも1.55μm帯の波長において単一横モードの条件をみたしており、上記レーザ発振するレーザ光は単一横モードとなる。なお、WGM共振器2を周回するレーザ光の一部は、光導波路22へと出力する。   Next, a case where the mode-locked semiconductor laser 200 is operated in a reproduction mode synchronization method will be described. First, when a DC voltage is applied between the n-side electrode and the p-side electrode of the WGM resonator 2 via the lead wire 10a and the electrode 9a and a drive current is passed, current is injected into the active layer of the WGM resonator 2. The active layer emits light in the 1.55 μm band. Here, the WGM resonator 2 and the optical waveguides 3, 4 and 22 constitute a laser resonator having the WGM resonator 2 as a ring resonator and the end face 4a and the end face 22a as end faces of the resonator. The active layer 13 of the WGM resonator 2 has an optical amplification gain. As a result, the light generated in the active layer 13 of the WGM resonator 2 is oscillated by the laser resonator. Note that all optical waveguides serving as laser resonators satisfy the condition of a single transverse mode at a wavelength of 1.55 μm band, and the laser light that oscillates is in a single transverse mode. A part of the laser light that circulates around the WGM resonator 2 is output to the optical waveguide 22.

一方、上記レーザ発振と同時に、リード線10c、電極9cを介して、光検出部23のn側電極−p側電極間に、逆バイアスとしてのDC電圧を印加する。すると、光検出部23は、光導波路22の端面から上記レーザ光を受光し、受光した光を電気信号に変換する。この電気信号は、パルスレーザ光の遅延時間によって定まる基本発振周波数およびその整数倍の周波数である高調波の変調信号を含むものである。この変調信号を含む電気信号は、電極9dを経由して可飽和吸収部7に搬送される。   On the other hand, simultaneously with the laser oscillation, a DC voltage as a reverse bias is applied between the n-side electrode and the p-side electrode of the light detection unit 23 via the lead wire 10c and the electrode 9c. Then, the light detection unit 23 receives the laser light from the end face of the optical waveguide 22 and converts the received light into an electrical signal. This electric signal includes a fundamental oscillation frequency determined by the delay time of the pulsed laser beam and a harmonic modulation signal having a frequency that is an integral multiple of the fundamental oscillation frequency. The electric signal including the modulation signal is conveyed to the saturable absorber 7 via the electrode 9d.

他方、可飽和吸収部7には、リード線10b、電極9eを介して、n側電極−p側電極間に、逆バイアスとしてのDC電圧が印加されているが、これに加えて、上記変調信号を含む電気信号が電極9dを経由して印加される。その結果、可飽和吸収部7は、上記変調信号の周波数で駆動する光シャッタとして機能するため、上記レーザ共振器において再生モード同期が実現される。その結果、光導波路4の端面4aからはパルスレーザ光が出力する。このパルスレーザ光は、光導波路21の端面21aに入射し、もう一方の端面21bからモード同期半導体レーザ200の外部に出力する。   On the other hand, a DC voltage as a reverse bias is applied to the saturable absorber 7 between the n-side electrode and the p-side electrode via the lead wire 10b and the electrode 9e. An electrical signal including a signal is applied via the electrode 9d. As a result, the saturable absorber 7 functions as an optical shutter that is driven at the frequency of the modulation signal, so that reproduction mode synchronization is realized in the laser resonator. As a result, pulsed laser light is output from the end face 4 a of the optical waveguide 4. This pulsed laser light is incident on the end face 21 a of the optical waveguide 21 and is output to the outside of the mode-locked semiconductor laser 200 from the other end face 21 b.

このモード同期半導体レーザ200は、再生モード同期方式を用いているため、強制モード同期もしくはハイブリッドモード同期と異なり、外部から発振器を用いてRF信号を供給する必要は無く、自励発振によって生成された電気信号により、光出力を変調させている。このとき自励発振によって生成された電気信号の時間ジッタは、従来の水晶発振器をベースとした電気の発振器と比較して2桁程度良い。すなわち、従来の発振器では、たとえば振動子を10MHzで発振させて、これを逓倍することにより高い周波数の電気信号を発生させているため、時間ジッタが悪くなる。一方、このモード同期半導体レーザ200は、低周波数の信号を逓倍させることなく、直接高い周波数で発振させているため、時間ジッタが小さい。   Since this mode-locked semiconductor laser 200 uses a reproduction mode-locking method, unlike the forced mode-locking or hybrid mode-locking, there is no need to supply an RF signal from the outside using an oscillator, and it is generated by self-excited oscillation. The optical output is modulated by an electrical signal. At this time, the time jitter of the electric signal generated by the self-excited oscillation is about two digits better than the electric oscillator based on the conventional crystal oscillator. That is, in the conventional oscillator, for example, a vibrator is oscillated at 10 MHz, and an electric signal having a high frequency is generated by multiplying the oscillator, so that time jitter is deteriorated. On the other hand, since the mode-locked semiconductor laser 200 oscillates directly at a high frequency without multiplying a low-frequency signal, the time jitter is small.

したがって、このモード同期半導体レーザ200は、WGM共振器2の高いQ値によって時間ジッタが小さくなるのに加え、さらに自励発振による時間ジッタの低減効果を得られるので、時間ジッタがきわめて小さいパルスレーザ光を出力できる。   Therefore, in this mode-locked semiconductor laser 200, the time jitter is reduced by the high Q value of the WGM resonator 2, and the effect of reducing the time jitter by self-excited oscillation can be obtained. Can output light.

ところで、このモード同期半導体レーザ200は、リング型レーザであるから、その発振周波数をfoscとすると、光の遅延時間が電気の遅延時間よりも十分に小さいとした場合、foscは以下の式(6)で与えられる。 By the way, this mode-locked semiconductor laser 200 is a ring type laser. Therefore, assuming that the oscillation frequency is f osc , f osc is expressed by the following equation when the light delay time is sufficiently smaller than the electrical delay time. It is given by (6).

Figure 2010102045
Figure 2010102045

なお、各々の変数は式(3)と同様である。すなわち、直線型レーザの場合である式(3)と比較して、式(6)は分母の係数2が取り除かれた形となっている。   In addition, each variable is the same as that of Formula (3). That is, in comparison with Expression (3) which is a case of a linear laser, Expression (6) has a form in which the denominator coefficient 2 is removed.

また、このモード同期半導体レーザ200は、電極9dから基本発振周波数およびその高調波の成分を含む電気信号をRF出力として出力することができる。したがって、このモード同期半導体レーザ200は、電磁波発振器としても用いることができる。このモード同期半導体レーザ200は、従来の電磁波発振器と比較すると共振器の一部に電磁ノイズの影響を受けにくい光遅延路を用いているため、時間ジッタの小さい高純度な電気信号を発生させることができる。   Further, the mode-locked semiconductor laser 200 can output an electric signal including a fundamental oscillation frequency and its harmonic component as an RF output from the electrode 9d. Therefore, this mode-locked semiconductor laser 200 can also be used as an electromagnetic wave oscillator. Since this mode-locked semiconductor laser 200 uses an optical delay path that is less susceptible to the influence of electromagnetic noise in a part of the resonator than a conventional electromagnetic wave oscillator, it generates a high-purity electrical signal with small time jitter. Can do.

このように、このモード同期半導体レーザ200は、電磁波発振器としても優れているため、CsやRb等の原子と組み合わせることにより周波数標準器として用いることができる。このような高純度な標準器はGPS(Global Positioning System)などに応用することができる。   As described above, the mode-locked semiconductor laser 200 is also excellent as an electromagnetic wave oscillator, and therefore can be used as a frequency standard by combining with atoms such as Cs and Rb. Such a high-purity standard device can be applied to GPS (Global Positioning System) and the like.

(実施の形態3)
つぎに、本発明の実施の形態3に係るモード同期半導体レーザについて説明する。本実施の形態3に係るモード同期半導体レーザは、実施の形態2と同様に再生モード同期方式で動作させるものであるが、WGM共振器がパッシブ素子であり、光増幅部としての半導体レーザ部を別途備えており、電磁波発振器として用いるものである点が異なる。
(Embodiment 3)
Next, a mode-locked semiconductor laser according to Embodiment 3 of the present invention will be described. The mode-locked semiconductor laser according to the third embodiment is operated by the reproduction mode-locked method as in the second embodiment. However, the WGM resonator is a passive element, and the semiconductor laser section as an optical amplifier section is provided. The difference is that it is provided separately and used as an electromagnetic wave oscillator.

図5は、本実施の形態3に係るモード同期半導体レーザの模式的な平面図である。図5に示すように、このモード同期半導体レーザ300は、図4に示すモード同期半導体レーザ200において、光導波路21、ポリイミド8、電極9a、リード線10aを削除し、WGM共振器2をWGM共振器30に置き換え、光導波路4を光導波路31に置き換え、さらに、半導体レーザ部32、ポリイミド33、電極9f、およびリード線10fを付加した構造を有している。   FIG. 5 is a schematic plan view of the mode-locked semiconductor laser according to the third embodiment. As shown in FIG. 5, the mode-locked semiconductor laser 300 is the same as the mode-locked semiconductor laser 200 shown in FIG. 4, except that the optical waveguide 21, the polyimide 8, the electrode 9a, and the lead wire 10a are deleted, and the WGM resonator 2 is made WGM resonant. The optical waveguide 4 is replaced with the optical waveguide 31, and the semiconductor laser 32, the polyimide 33, the electrode 9f, and the lead wire 10f are added.

WGM共振器30、光導波路31、半導体レーザ部32はハイメサ形状を有している。また、WGM共振器30は、WGM共振器2と同様にリング状に形成されており、円状の外周部を有する。また、その直径、メサ幅もWGM共振器2と同様であるが、WGM共振器2とは異なりパッシブ素子であり、図3に示す光導波路5と同様の断面構造を有している。また、光導波路31は、可飽和吸収部7に接続するように形成されている。また、半導体レーザ部32は、光導波路31に接続するように形成されている。また、ポリイミド33は、可飽和吸収部7、光検出部23、および半導体レーザ部32を埋め込むように形成されている。また、電極9fは、半導体レーザ部32上に形成されている。また、電極9fにはリード線10fが接続されている。   The WGM resonator 30, the optical waveguide 31, and the semiconductor laser unit 32 have a high mesa shape. The WGM resonator 30 is formed in a ring shape like the WGM resonator 2 and has a circular outer peripheral portion. Further, the diameter and mesa width are the same as those of the WGM resonator 2, but unlike the WGM resonator 2, it is a passive element and has the same cross-sectional structure as the optical waveguide 5 shown in FIG. Further, the optical waveguide 31 is formed so as to be connected to the saturable absorber 7. Further, the semiconductor laser part 32 is formed so as to be connected to the optical waveguide 31. In addition, the polyimide 33 is formed so as to embed the saturable absorber 7, the light detector 23, and the semiconductor laser part 32. The electrode 9f is formed on the semiconductor laser section 32. A lead wire 10f is connected to the electrode 9f.

光導波路31のメサ幅は2μmである。また、半導体レーザ部32のサイズは300μm×2μmである。また、電極9fのサイズは300μm×75μmである。   The mesa width of the optical waveguide 31 is 2 μm. The size of the semiconductor laser unit 32 is 300 μm × 2 μm. The size of the electrode 9f is 300 μm × 75 μm.

また、半導体レーザ部32は、分布帰還型(Distributed Feed-Back:DFB)レーザであり、図2に示すWGM共振器2と同様の断面構造を有しているが、さらに上部クラッド層14に回折格子が形成されている。また、光導波路31は、パッシブ素子であり、図3に示す光導波路5と同様の断面構造を有している。   The semiconductor laser unit 32 is a distributed feedback (DFB) laser and has the same cross-sectional structure as the WGM resonator 2 shown in FIG. A lattice is formed. The optical waveguide 31 is a passive element and has the same cross-sectional structure as the optical waveguide 5 shown in FIG.

つぎに、このモード同期半導体レーザ300を再生モード同期方式で動作させる場合について説明する。はじめに、リード線10f、電極9fを介して、半導体レーザ部32のn側電極−p側電極間にDC電圧を印加し、駆動電流を流すと、半導体レーザ部32の活性層に電流が注入され、この活性層が1.55μm帯の光を発光する。発光した光は、光検出器23で電気信号に変換され、RF信号として出力される。このとき発生するRF信号は可飽和吸収部7、光導波路3、22、WGM共振器30、光検出部23、電極9dから成るリング型共振器から生成される。   Next, the case where the mode-locked semiconductor laser 300 is operated in the reproduction mode-locked mode will be described. First, when a DC voltage is applied between the n-side electrode and the p-side electrode of the semiconductor laser part 32 via the lead wire 10f and the electrode 9f and a driving current is passed, current is injected into the active layer of the semiconductor laser part 32. The active layer emits light in the 1.55 μm band. The emitted light is converted into an electrical signal by the photodetector 23 and output as an RF signal. The RF signal generated at this time is generated from a ring type resonator including the saturable absorber 7, the optical waveguides 3 and 22, the WGM resonator 30, the light detector 23, and the electrode 9d.

一方、光検出部23は、モード同期半導体レーザ200と同様に、光導波路22の端面から上記レーザ光を受光し、受光した光を、パルスレーザ光の遅延時間によって定まる基本発振周波数およびその高調波の変調信号を含む電気信号に変換する。この電気信号は電極9dを経由して可飽和吸収部7に搬送される。   On the other hand, like the mode-locked semiconductor laser 200, the light detection unit 23 receives the laser light from the end face of the optical waveguide 22, and uses the received light as the fundamental oscillation frequency determined by the delay time of the pulse laser light and its harmonics. To an electric signal including the modulated signal. This electric signal is conveyed to the saturable absorber 7 via the electrode 9d.

他方、可飽和吸収部7は、モード同期半導体レーザ200と同様に、逆バイアスとしてのDC電圧が印加されるとともに、上記変調信号の周波数で駆動する光シャッタとして機能するため、再生モード同期が実現される。ここで、このモード同期半導体レーザ300の場合は、パルスレーザ光の出力端子は特に設けられていないが、電極9dから基本発振周波数およびその高調波の成分を含む電気信号をRF出力として出力することができる。したがって、このモード同期半導体レーザ300は、時間ジッタの小さい高純度な電気信号を発生させる電磁波発振器として用いることができる。   On the other hand, the saturable absorber 7 is applied with a DC voltage as a reverse bias and functions as an optical shutter that is driven at the frequency of the modulation signal, similarly to the mode-locked semiconductor laser 200, thereby realizing reproduction mode synchronization. Is done. Here, in the case of this mode-locked semiconductor laser 300, the output terminal of the pulse laser beam is not particularly provided, but an electric signal including the fundamental oscillation frequency and its harmonic component is output as an RF output from the electrode 9d. Can do. Therefore, this mode-locked semiconductor laser 300 can be used as an electromagnetic wave oscillator that generates a high-purity electric signal with small time jitter.

なお、このモード同期半導体レーザ300もリング型レーザであるから、その発振周波数は上述した式(6)で与えられる。   Since this mode-locked semiconductor laser 300 is also a ring type laser, its oscillation frequency is given by the above-described equation (6).

(製造方法)
つぎに、実施の形態1〜3に係るモード同期半導体レーザの製造方法について説明する。図6は、実施の形態1〜3に係るモード同期半導体レーザ100〜300の製造方法を説明する模式図である。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the mode-locked semiconductor laser according to the first to third embodiments will be described. FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a method of manufacturing mode-locked semiconductor lasers 100 to 300 according to the first to third embodiments.

はじめに、図6(a)に示すように、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)結晶成長装置を用い、成長温度600℃において、基板1上に、バッファ層12、活性層13、p−InPからなるクラッド層35を順次結晶成長する。   First, as shown in FIG. 6A, an MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) crystal growth apparatus is used to form a buffer layer 12, an active layer 13, and p-InP on a substrate 1 at a growth temperature of 600 ° C. The cladding layer 35 is successively crystal-grown.

ただし、実施の形態3に係るモード同期半導体レーザ300を製造する際には、半導体レーザ部32を形成する領域のみ、クラッド層35に回折格子を作製する。回折格子の作製方法については例えば特開2002−305350号公報に記載されている。   However, when the mode-locked semiconductor laser 300 according to the third embodiment is manufactured, a diffraction grating is formed in the cladding layer 35 only in a region where the semiconductor laser portion 32 is formed. A method for manufacturing a diffraction grating is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-305350.

次に、図6(b)に示すように、アクティブ素子(WGM共振器2、可飽和吸収部7、光検出部23、半導体レーザ部32などの発光、光増幅部、光検出器部)を形成する領域SAにSiNxからなるマスクM1を形成し、それ以外のパッシブ部分となる領域SPのクラッド層35、活性層13をエッチングにより除去する。次に、図6(c)に示すように、エッチングにより除去した領域SPの部分にInGaAsPからなる光導波路のコア層18、p−InPからなるクラッド層36をバットジョイント成長により形成する。その後、図6(d)に示すように、領域SA、SPパッシブ領域の両方に、p−InPからなるクラッド層37、コンタクト層15を結晶成長する。つぎに、図6(e)に示すように、領域SPのみコンタクト層15をエッチングにより除去する。   Next, as shown in FIG. 6 (b), the active elements (WGM resonator 2, saturable absorber 7, light detector 23, semiconductor laser 32, etc., light amplifier, light detector) A mask M1 made of SiNx is formed in the region SA to be formed, and the cladding layer 35 and the active layer 13 in the region SP that is the other passive portion are removed by etching. Next, as shown in FIG. 6C, the core layer 18 of the optical waveguide made of InGaAsP and the clad layer 36 made of p-InP are formed by butt joint growth in the region SP removed by etching. Thereafter, as shown in FIG. 6D, the cladding layer 37 and the contact layer 15 made of p-InP are crystal-grown in both the region SA and the SP passive region. Next, as shown in FIG. 6E, the contact layer 15 is removed by etching only in the region SP.

その後、SiNx膜をマスクとして、幅2μmのハイメサ形状をドライエッチングにより形成する。このドライエッチングでは、クラッド層37、クラッド層35およびクラッド層36、活性層13およびコア層18を貫通し、バッファ層12の上側一部に至る深さまでエッチングを行う。従ってエッチング直後では、活性層13の側面は露出した状況となっている。   Thereafter, a high mesa shape having a width of 2 μm is formed by dry etching using the SiNx film as a mask. In this dry etching, etching is performed to a depth that penetrates the cladding layer 37, the cladding layer 35 and the cladding layer 36, the active layer 13, and the core layer 18 and reaches a part of the upper side of the buffer layer 12. Therefore, immediately after the etching, the side surface of the active layer 13 is exposed.

次に、メサエッチングに用いたSiNx膜をそのまま結晶成長マスクとして使用し、ハイメサ形状のメサ脇に保護層17を結晶成長する。なお、保護層17の厚さは、活性層13の側壁の部分で0.1μm厚となるようにする。また、保護層17の導電性はp型とし、保護層17の材料をInPとする場合は、Zn等のp型ドーパントのドープ量は5×1017cm-3程度とする。 Next, the SiNx film used for the mesa etching is directly used as a crystal growth mask, and the protective layer 17 is grown on the side of the high mesa-shaped mesa. The protective layer 17 has a thickness of 0.1 μm at the side wall of the active layer 13. When the conductivity of the protective layer 17 is p-type and the material of the protective layer 17 is InP, the doping amount of a p-type dopant such as Zn is about 5 × 10 17 cm −3 .

図7は、図6(e)のC−C´線断面図であり、図8は、図6(e)のD−D´線断面図である。なお、図7、図8において、符号20はSiNx膜を示している。また、図7、図8は、それぞれ図2、図3に対応するものであり、クラッド層35、37が上部クラッド層14を構成し、クラッド層36、37が上部クラッド層19を構成する。   FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line CC ′ of FIG. 6E, and FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line DD ′ of FIG. 7 and 8, reference numeral 20 indicates a SiNx film. FIGS. 7 and 8 correspond to FIGS. 2 and 3, respectively. The cladding layers 35 and 37 constitute the upper cladding layer 14, and the cladding layers 36 and 37 constitute the upper cladding layer 19.

その後、ポジ型のポリイミドを絶縁材料として、各アクティブ素子に対して電極構造を形成する。図9は、電極形成方法を説明する模式図である。なお、図9は、例として図1のA−A´線断面の部分を示している。   Thereafter, an electrode structure is formed for each active element using positive polyimide as an insulating material. FIG. 9 is a schematic diagram for explaining an electrode forming method. In addition, FIG. 9 has shown the part of the AA 'line cross section of FIG. 1 as an example.

はじめに、図9(a)に示すように、ポジ型のレジストR1を塗布後、酸素プラズマを用いたRIE(Reactive Ion Etching)により、メサトップの頭出しを行なう。つぎに、図9(b)に示すように、さらにネガ型のレジストR2を塗布後、フォトリソグラフィーを行い、メサ部に幅4μm程度の窓W1の窓明けを行なう。つぎに、図9(c)に示すように、RIEによりSiNx膜20を除去し、Au/AuZn構造のp側電極16を蒸着する。その後、図9(d)に示すように、リフトオフにより、p側電極16を所望の形状とする。   First, as shown in FIG. 9A, after applying a positive resist R1, cueing of the mesa top is performed by RIE (Reactive Ion Etching) using oxygen plasma. Next, as shown in FIG. 9B, after applying a negative resist R2, photolithography is performed to open a window W1 having a width of about 4 μm in the mesa portion. Next, as shown in FIG. 9C, the SiNx film 20 is removed by RIE, and the p-side electrode 16 having an Au / AuZn structure is deposited. Thereafter, as shown in FIG. 9D, the p-side electrode 16 is formed into a desired shape by lift-off.

つぎに、図9(e)に示すように、ポジ型のポリイミド8を塗布し、へき開する箇所には露光しておく。つぎに、図9(f)に示すように、ポリイミド8のフォトリソグラフィーを行い、150℃、30分でキュアし、その後さらに350℃、60分でキュアする。つぎに、図9(g)に示すように、リフトオフにより、Ti/Pt/Au構造の電極9aを形成する。最後に、図9(h)に示すように、基板1の裏面を研摩し、蒸着によりAuGeNi/Au構造のn側電極11を形成する。その後所定箇所をへき開して、モード同期半導体レーザが完成する。   Next, as shown in FIG. 9E, positive type polyimide 8 is applied and exposed to the cleavage site. Next, as shown in FIG. 9F, photolithography of the polyimide 8 is performed and cured at 150 ° C. for 30 minutes, and then further cured at 350 ° C. for 60 minutes. Next, as shown in FIG. 9G, an electrode 9a having a Ti / Pt / Au structure is formed by lift-off. Finally, as shown in FIG. 9H, the back surface of the substrate 1 is polished, and an n-side electrode 11 having an AuGeNi / Au structure is formed by vapor deposition. Thereafter, the predetermined portion is cleaved to complete the mode-locked semiconductor laser.

(実施の形態4)
つぎに、本発明の実施の形態4に係るモード同期半導体レーザについて説明する。本実施の形態4に係るモード同期半導体レーザは、実施の形態3と同様に電磁波発振器として用いるものであるが、WGM共振器がフォトニック結晶内の線欠陥部として形成されている点が異なる。
(Embodiment 4)
Next, a mode-locked semiconductor laser according to Embodiment 4 of the present invention will be described. The mode-locked semiconductor laser according to the fourth embodiment is used as an electromagnetic wave oscillator as in the third embodiment, except that the WGM resonator is formed as a line defect in the photonic crystal.

図10は、本実施の形態4に係るモード同期半導体レーザの模式的な平面図である。図10に示すように、このモード同期半導体レーザ400は、図5に示すモード同期半導体レーザ300において、WGM共振器30をフォトニック結晶部40に置き換え、光導波路3、22を、それぞれ光導波路48、47に置き換えた構造を有している。   FIG. 10 is a schematic plan view of a mode-locked semiconductor laser according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 10, the mode-locked semiconductor laser 400 is the same as the mode-locked semiconductor laser 300 shown in FIG. , 47.

フォトニック結晶部40は、上述した他のパッシブ素子と同様に、基板1上に、バッファ層、コア層、上部クラッド層、SiNx膜が順次積層した構造を有している。さらに、フォトニック結晶部40には、空気円孔41が三角格子状に配列されている。この空気円孔41は、少なくともコア層の下面よりも深くまで形成されている。その結果、この空気円孔41は、半導体積層方向に垂直な面内において、2次元的な屈折率の周期構造を形成しており、フォトニック結晶を構成している。   The photonic crystal portion 40 has a structure in which a buffer layer, a core layer, an upper clad layer, and a SiNx film are sequentially stacked on the substrate 1 as in the other passive elements described above. Furthermore, air holes 41 are arranged in a triangular lattice pattern in the photonic crystal portion 40. This air hole 41 is formed deeper than at least the lower surface of the core layer. As a result, the air hole 41 forms a periodic structure with a two-dimensional refractive index in a plane perpendicular to the semiconductor lamination direction, and constitutes a photonic crystal.

さらに、空気円孔41が構成するフォトニック結晶内には、光を導波すべき線欠陥部として、六角形のリング状の線欠陥WGM共振器42、および直線状の線欠陥光導波路43、44が形成されている。線欠陥光導波路43、44はそれぞれ線欠陥WGM共振器42に接続するように形成されている。また、線欠陥光導波路43と光導波路47とを接続するように、ハイメサ形状の光導波路45が形成されている。同様に、線欠陥光導波路44と光導波路48とを接続するように、ハイメサ形状の光導波路46が形成されている。   Further, in the photonic crystal formed by the air circular hole 41, hexagonal ring-shaped line defect WGM resonators 42 and linear line-defect optical waveguides 43, as line defect portions to guide light, 44 is formed. The line defect optical waveguides 43 and 44 are formed so as to be connected to the line defect WGM resonator 42, respectively. Further, a high-mesa optical waveguide 45 is formed so as to connect the line defect optical waveguide 43 and the optical waveguide 47. Similarly, a high mesa optical waveguide 46 is formed so as to connect the line defect optical waveguide 44 and the optical waveguide 48.

このフォトニック結晶部40においては、線欠陥WGM共振器42がWGM共振器となり、線欠陥光導波路43、44が線欠陥WGM共振器42に光を入出力する光導波路として機能する。符号45は、線欠陥WGM共振器42の直径aWGMを示している。ここではaWGMは1.2mmである。 In the photonic crystal unit 40, the line defect WGM resonator 42 functions as a WGM resonator, and the line defect optical waveguides 43 and 44 function as optical waveguides that input and output light to and from the line defect WGM resonator 42. Reference numeral 45 indicates a diameter a WGM of the line defect WGM resonator 42. Here, a WGM is 1.2 mm.

以下、このフォトニック結晶部40の構造パラメータについて説明する。図11は、フォトニック結晶部40の模式的な平面図である。図11において、符号49、50、51はそれぞれ空気円孔41の半径r、三角格子の格子定数a、線欠陥部の両側に位置する空気円孔41の中心間距離で定義される導波路幅Wを示している。ここでは、aが775nm、半径rが0.29a、空孔深さが0.58a、Wが1.08aに設定されている。   Hereinafter, the structural parameters of the photonic crystal part 40 will be described. FIG. 11 is a schematic plan view of the photonic crystal part 40. In FIG. 11, reference numerals 49, 50 and 51 denote the waveguide widths defined by the radius r of the air circular hole 41, the lattice constant a of the triangular lattice, and the distance between the centers of the air circular holes 41 located on both sides of the line defect part. W is shown. Here, a is set to 775 nm, the radius r is set to 0.29a, the hole depth is set to 0.58a, and W is set to 1.08a.

このモード同期半導体レーザ400の動作原理は、モード同期半導体レーザ300と同様であり、時間ジッタの小さい高純度な電気信号を発生させる発振器として用いることができる。また、特に、このモード同期半導体レーザ400は、WGM共振器としてフォトニック結晶の線欠陥導波路を利用し、構造パラメータを上記のようにしているため、線欠陥導波路における低群速度効果により、さらに大幅に時間ジッタが低減される。   The operation principle of the mode-locked semiconductor laser 400 is the same as that of the mode-locked semiconductor laser 300, and can be used as an oscillator that generates a high-purity electric signal with small time jitter. In particular, this mode-locked semiconductor laser 400 uses a photonic crystal line defect waveguide as a WGM resonator and has the structure parameters as described above. Therefore, due to the low group velocity effect in the line defect waveguide, Furthermore, time jitter is greatly reduced.

すなわち、たとえば清田らの論文「フォトニック結晶線欠陥導波路の低群速度効果を用いたレーザと光増幅器」、古河電工時報第118号(平成18年7月発行)に記載されるように、フォトニック結晶内に形成された線欠陥導波路においては、導波する光の規格化波数k/(2π/a)がブリルアンゾーンの端である0.5に近づくにつれて、群屈折率nが非常に大きくなる。たとえば、フォトニック結晶部40において、aを775nmとし、上記構造パラメータの設定とすると、波長1.55μmにおいて、群屈折率nとして100程度の数値が得られる。したがって、この線欠陥WGM共振器42においては、その直径が実施の形態1のWGM共振器2と同様の1.2mmであるものの、遅延時間としては、WGM共振器2の31倍、つまり3.1nsとすることができる。したがって、WGM部分のQ値としても31倍とすることができ、従来の半導体レーザの約270倍のQ値を得ることができる。つまり、このモード同期半導体レーザ400は、従来の半導体レーザの約1/270の時間ジッタを実現するモード同期半導体レーザとなる。 That is, for example, as described in the paper by Kiyota et al. “Laser and optical amplifier using low group velocity effect of photonic crystal line defect waveguide”, Furukawa Electric Time Report No. 118 (issued in July 2006), In a line defect waveguide formed in a photonic crystal, as the normalized wave number k / (2π / a) of guided light approaches 0.5, which is the end of the Brillouin zone, the group refractive index ng Become very large. For example, in the photonic crystal part 40, when a is set to 775 nm and the above structural parameters are set, a numerical value of about 100 is obtained as the group refractive index ng at a wavelength of 1.55 μm. Therefore, although the diameter of the line defect WGM resonator 42 is 1.2 mm, which is the same as that of the WGM resonator 2 of the first embodiment, the delay time is 31 times that of the WGM resonator 2, that is, 3. It can be 1 ns. Accordingly, the Q value of the WGM portion can also be set to 31 times, and a Q value of about 270 times that of the conventional semiconductor laser can be obtained. That is, the mode-locked semiconductor laser 400 is a mode-locked semiconductor laser that realizes a time jitter of about 1/270 of the conventional semiconductor laser.

なお、このフォトニック結晶部40は、以下のようにして製造できる。すなわち、はじめに、図6(c)の状態において、領域SPにエッチングマスクとしてSiN膜を成膜する。つぎに、このSIN膜に、電子線リソグラフィを用いて形成した、線欠陥部を含むフォトニック結晶の円孔パターンを転写する。その後に、ICP−RIE(Inductive Coupled Plasma-RIE)を用いて円孔パターン下の半導体のエッチングを行い、空気円孔41を形成する。なお、モード同期半導体レーザ400のその他の部分については、モード同期半導体レーザ100〜300と同様の方法で製造できる。   The photonic crystal part 40 can be manufactured as follows. That is, first, in the state of FIG. 6C, a SiN film is formed in the region SP as an etching mask. Next, the circular hole pattern of the photonic crystal formed using electron beam lithography and including the line defect portion is transferred to the SIN film. Thereafter, the semiconductor under the circular hole pattern is etched using ICP-RIE (Inductive Coupled Plasma-RIE) to form air circular holes 41. In addition, about the other part of the mode synchronous semiconductor laser 400, it can manufacture by the method similar to the mode synchronous semiconductor lasers 100-300.

なお、上記実施の形態3、4に係るモード同期半導体レーザ300、400において、別途光出力用の光導波路を設ければ、パルスレーザ光を出力する通常のモード同期半導体レーザとしても利用できる。   The mode-locked semiconductor lasers 300 and 400 according to the third and fourth embodiments can be used as a normal mode-locked semiconductor laser that outputs pulsed laser light if an optical waveguide for optical output is provided separately.

また、上記実施の形態4において、フォトニック結晶部40はパッシブ素子であるが、コア層を活性層に置き換えてアクティブ素子として、実施の形態1、2に係るモード同期半導体レーザ100、200のWGM共振器2に置き換えて用いることもできる。   In the fourth embodiment, the photonic crystal unit 40 is a passive element, but the WGM of the mode-locked semiconductor lasers 100 and 200 according to the first and second embodiments is used by replacing the core layer with an active layer as an active element. It can also be used in place of the resonator 2.

また、上記実施の形態4において、フォトニック結晶部40はパッシブ素子であるが、コア層を活性層に置き換えてアクティブ素子として、実施の形態1、2に係るモード同期半導体レーザ100、200のWGM共振器2に置き換えて用いることもできる。   In the fourth embodiment, the photonic crystal unit 40 is a passive element, but the WGM of the mode-locked semiconductor lasers 100 and 200 according to the first and second embodiments is used by replacing the core layer with an active layer as an active element. It can also be used in place of the resonator 2.

また、上記各実施の形態において、WGM共振器2、半導体レーザ部32は電流注入により光増幅を行なうものであるが、別途励起レーザを設け、電流注入の代わりに光励起によって光増幅を行なってもよい。   In each of the above embodiments, the WGM resonator 2 and the semiconductor laser unit 32 perform optical amplification by current injection. However, a separate excitation laser may be provided and optical amplification may be performed by optical excitation instead of current injection. Good.

また、上記各実施の形態において、活性層13はMQW−SCH構造を有するものであるが、バルク層としてもよい。また、上記各実施の形態では、化合物半導体としてInP系の半導体材料を用いているが、GaAs系等の他の半導体材料を用いても良く、特に限定はされない。   In each of the above embodiments, the active layer 13 has an MQW-SCH structure, but may be a bulk layer. In each of the above embodiments, an InP-based semiconductor material is used as the compound semiconductor, but other semiconductor materials such as a GaAs-based material may be used, and there is no particular limitation.

また、各WGM共振器の形状は、円や六角形のリング状に限らず、楕円や他の多角形のリング状または筒状等としてもよい。   Further, the shape of each WGM resonator is not limited to a circular or hexagonal ring shape, but may be an ellipse or another polygonal ring shape or a cylindrical shape.

なお、直径が10〜10μm程度の微小球体を使用してコンパクトなWGM共振器が製造されている。このような共振器の寸法は光の波長よりはるかに大きいので、該WGM共振器の曲率が有限であることによる光の損失は小さくすることができる。その結果、このような共振器を用いて、高いQ値を達成することができる。このようなWGM共振器において、光損失の主原因としては、WGM共振器を構成する誘電材料の光吸収及び該球体の不均一性(例えば該球体表面の凹凸)による光散乱がある。寸法が1mm未満のある種の微小球体が、光波に対して非常に高いQ値を示すことが立証されており、石英の微小球体の場合Q値が109を超える。したがって、光エネルギーは、WGMモードにカップルされると、長い遅延時間で、該球体の赤道において又はその近くで巡回することができる。 A compact WGM resonator is manufactured using microspheres having a diameter of about 10 to 10 3 μm. Since the size of such a resonator is much larger than the wavelength of light, the loss of light due to the finite curvature of the WGM resonator can be reduced. As a result, a high Q value can be achieved using such a resonator. In such a WGM resonator, the main causes of light loss are light absorption by a dielectric material constituting the WGM resonator and light scattering due to unevenness of the sphere (for example, irregularities on the surface of the sphere). Certain microspheres with dimensions less than 1 mm have been demonstrated to exhibit very high Q values for light waves, with Q values exceeding 109 for quartz microspheres. Thus, when light energy is coupled to the WGM mode, it can travel at or near the equator of the sphere with a long delay time.

実施の形態1に係るモード同期半導体レーザの模式的な平面図である。1 is a schematic plan view of a mode-locked semiconductor laser according to a first embodiment. 図1におけるA−A´線断面図である。It is the sectional view on the AA 'line in FIG. 図1におけるB−B´線断面図である。It is the BB 'sectional view taken on the line in FIG. 実施の形態2に係るモード同期半導体レーザの模式的な平面図である。6 is a schematic plan view of a mode-locked semiconductor laser according to Embodiment 2. FIG. 実施の形態3に係るモード同期半導体レーザの模式的な平面図である。6 is a schematic plan view of a mode-locked semiconductor laser according to Embodiment 3. FIG. 実施の形態1〜3に係るモード同期半導体レーザの製造方法を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the manufacturing method of the mode synchronous semiconductor laser which concerns on Embodiment 1-3. 図6(e)のC−C´線断面図である。It is CC 'sectional view taken on the line of FIG.6 (e). 図6(e)のD−D´線断面図である。It is the DD 'line sectional view of Drawing 6 (e). 電極形成方法を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the electrode formation method. 実施の形態4に係るモード同期半導体レーザの模式的な平面図である。FIG. 6 is a schematic plan view of a mode-locked semiconductor laser according to a fourth embodiment. フォトニック結晶部40の模式的な平面図である。3 is a schematic plan view of a photonic crystal unit 40. FIG. モード同期の方式の原理を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the principle of the system of a mode synchronization. モード同期の方式の原理を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the principle of the system of a mode synchronization. WGM共振器の構成を例示的に説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the structure of a WGM resonator exemplarily.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2、30 WGM共振器
3〜6、21、22、31、45〜48 光導波路
4a〜6a、6b、21a、21b、22a 端面
7 可飽和吸収部
8、33 ポリイミド
9a〜9f 電極
10a〜10f リード線
11 n側電極
12 バッファ層
12a 突出部
13 活性層
14、19 上部クラッド層
15 コンタクト層
16 p側電極
17 保護層
18 コア層
20 SiNx膜
23 光検出部
31 光導波路
32 半導体レーザ部
35〜37 クラッド層
40 フォトニック結晶部
41 空気円孔
42 線欠陥WGM共振器
43、44 線欠陥光導波路
49 半径
50 格子定数
51 導波路幅
100〜400 モード同期半導体レーザ
M1 マスク
R1、R2 レジスト
SA、SP 領域
W1 窓
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Board | substrate 2, 30 WGM resonator 3-6, 21, 22, 31, 45-48 Optical waveguide 4a-6a, 6b, 21a, 21b, 22a End surface 7 Saturable absorption part 8, 33 Polyimide 9a-9f Electrode 10a- 10f Lead wire 11 n-side electrode 12 buffer layer 12a protrusion 13 active layer 14, 19 upper cladding layer 15 contact layer 16 p-side electrode 17 protective layer 18 core layer 20 SiNx film 23 photodetection unit 31 optical waveguide 32 semiconductor laser unit 35 ˜37 Clad layer 40 Photonic crystal part 41 Air hole 42 Line defect WGM resonator 43, 44 Line defect optical waveguide 49 Radius 50 Lattice constant 51 Waveguide width 100 to 400 Mode-locked semiconductor laser M1 Mask R1, R2 Resist SA, SP area W1 window

Claims (10)

化合物半導体からなる基板上に、
ささやき回廊モード共振器が外周部を有し、該外周部の内側を光が周回するように構成した化合物半導体製のささやき回廊モード共振器と、
前記ささやき回廊モード共振器に直接、もしくは間接的に接続し、光増幅利得を有する化合物半導体製の光増幅部と、
前記ささやき回廊モード共振器に直接、もしくは間接的に接続し、該ささやき回廊モード共振器に光を入出力する化合物半導体製の光導波路とを有し、前記ささやき回廊モード共振器と前記光増幅部と光導波路がモノリシックに集積され、モード同期によりパルスレーザ光を発振するモード同期の手段を有するモード同期半導体レーザ。
On a substrate made of a compound semiconductor,
A whispering gallery mode resonator made of a compound semiconductor configured so that the whispering gallery mode resonator has an outer peripheral portion and light circulates inside the outer peripheral portion;
An optical amplifying unit made of a compound semiconductor connected directly or indirectly to the whispering gallery mode resonator and having an optical amplification gain;
An optical waveguide made of a compound semiconductor that is directly or indirectly connected to the whispering gallery mode resonator and inputs / outputs light to / from the whispering gallery mode resonator, and the whispering gallery mode resonator and the optical amplification unit And a mode-locked semiconductor laser having a mode-locking means for oscillating pulsed laser light by mode-locking.
化合物半導体からなる基板上に、
ささやき回廊モード共振器が光増幅利得を有する活性層を備えるとともに外周部を有し、該外周部の内側を光が周回するように構成した化合物半導体製のささやき回廊モード共振器を有し、
前記ささやき回廊モード共振器に直接、もしくは間接的に接続し、該ささやき回廊モード共振器に光を入出力する化合物半導体製の光導波路とささやき回廊モード共振器がモノリシックに集積され、モード同期によりパルスレーザ光を発振するモード同期の手段を有するモード同期半導体レーザ。
On a substrate made of a compound semiconductor,
The whispering gallery mode resonator has an active layer having an optical amplification gain and has an outer peripheral portion, and has a whispering gallery mode resonator made of a compound semiconductor configured to circulate light inside the outer peripheral portion,
The whispering gallery mode resonator is directly or indirectly connected to the whispering gallery mode resonator, and a compound semiconductor optical waveguide for inputting / outputting light to / from the whispering gallery mode resonator and the whispering gallery mode resonator are monolithically integrated. A mode-locked semiconductor laser having mode-locking means for oscillating laser light.
前記モード同期の手段は、
前記パルスレーザ光の一部を受光し電気信号に変換する化合物半導体製の光検出部と、
前記光検出部に接続し、前記電気信号に含まれる前記パルスレーザ光の遅延時間により定まる基本発振周波数の成分または該基本発振周波数の高調波の成分を、電極構造を介して印加することにより駆動するレーザ光を変調する光変調部とを備えることを特徴とする請求項1または2に記載のモード同期半導体レーザ。
The mode synchronization means includes:
A photodetection unit made of a compound semiconductor that receives a part of the pulse laser beam and converts it into an electrical signal;
Connected to the photodetection unit and driven by applying a fundamental oscillation frequency component or a harmonic component of the fundamental oscillation frequency determined by the delay time of the pulsed laser light included in the electrical signal through the electrode structure The mode-locked semiconductor laser according to claim 1, further comprising: a light modulation unit that modulates the laser beam to be emitted.
前記モード同期の手段は、
前記パルスレーザ光の一部を受光し電気信号に変換する化合物半導体製の光検出部と、
前記光検出部に接続し、前記電気信号に含まれる前記パルスレーザ光の遅延時間により定まる基本発振周波数の成分または該基本発振周波数の高調波の成分で電極構造を介して前記パルスレーザの注入電流を変調することを特徴とする請求項1または2に記載のモード同期半導体レーザ。
The mode synchronization means includes:
A photodetection unit made of a compound semiconductor that receives a part of the pulse laser beam and converts it into an electrical signal;
An injection current of the pulse laser connected to the photodetection unit via an electrode structure with a fundamental oscillation frequency component or a harmonic component of the fundamental oscillation frequency determined by the delay time of the pulse laser light included in the electrical signal The mode-locked semiconductor laser according to claim 1, wherein the mode-locked semiconductor laser is modulated.
前記光変調部は、可飽和吸収体からなることを特徴とする請求項3に記載のモード同期半導体レーザ。   The mode-locked semiconductor laser according to claim 3, wherein the light modulator is made of a saturable absorber. 前記光変調部は、マッハツェンダ変調器からなることを特徴とする請求項3に記載のモード同期半導体レーザ。   The mode-locked semiconductor laser according to claim 3, wherein the light modulation unit includes a Mach-Zehnder modulator. 前記活性層を備えるささやき回廊モード共振器は、ハイメサ形状を有するとともに、該ハイメサ形状の側面における少なくとも前記活性層の表面に、該活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する保護層が形成されたことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載のモード同期半導体レーザ。   The whispering gallery mode resonator including the active layer has a high mesa shape, and a protective layer having a band gap energy larger than the band gap energy of the active layer on at least the surface of the active layer on the side surface of the high mesa shape. The mode-locked semiconductor laser according to claim 1, wherein the mode-locked semiconductor laser is formed. 前記ささやき回廊モード共振器の外周部は円状であり、前記光導波路は該外周部の接線方向に沿って光を入出力するように配置されることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一つに記載のモード同期半導体レーザ。   The outer periphery of the whispering gallery mode resonator is circular, and the optical waveguide is disposed so as to input and output light along a tangential direction of the outer periphery. The mode-locked semiconductor laser according to claim 1. 前記ささやき回廊モード共振器は、半導体積層方向に垂直な面内において2次元的な屈折率の周期構造を形成するフォトニック結晶内において、光を導波すべき線欠陥部を設けて形成しており、該線欠陥部はループ形状であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載のモード同期半導体レーザ。   The whispering gallery mode resonator is formed by providing a line defect portion to guide light in a photonic crystal that forms a periodic structure having a two-dimensional refractive index in a plane perpendicular to the semiconductor lamination direction. The mode-locked semiconductor laser according to claim 1, wherein the line defect portion has a loop shape. さらに、前記電気信号に含まれる前記基本発振周波数の成分または前記高調波の成分を出力する出力端子を備え、外部に電磁波を取り出せることを特徴とする請求項3〜9のいずれか一つに記載の電磁波発振器用のモード同期半導体レーザ。   Furthermore, it has an output terminal which outputs the component of the fundamental oscillation frequency or the component of the harmonic contained in the electrical signal, and can extract electromagnetic waves to the outside. Mode-locked semiconductor laser for electromagnetic wave oscillators.
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