JP2003057694A - Optical function device and semiconductor waveguide - Google Patents

Optical function device and semiconductor waveguide

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JP2003057694A
JP2003057694A JP2001242805A JP2001242805A JP2003057694A JP 2003057694 A JP2003057694 A JP 2003057694A JP 2001242805 A JP2001242805 A JP 2001242805A JP 2001242805 A JP2001242805 A JP 2001242805A JP 2003057694 A JP2003057694 A JP 2003057694A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To easily perform miniaturization without damaging the convenience of wavelength control. SOLUTION: A semiconductor mode synchronous laser 1, a semiconductor optical amplifier 2 and a semiconductor optical waveguide 3 are provided. The semiconductor optical waveguide 3 sets a band gap wavelength λg so as to be δ0 <(λ0 -λg )/λg <δ1 (δ0 -0.01 and δ1 -0.05) in order to increase a tertiary nonlinear optical effect with virtual excitation of carrier without approaching an optical absorption end.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は光機能装置および半
導体光導波路に関し、特に、光の周波数帯域あるいは波
長帯域を拡大する場合に適用して好適なものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical functional device and a semiconductor optical waveguide, and is particularly suitable for application in expanding the frequency band or wavelength band of light.

【0002】[0002]

【従来の技術】情報技術(IT)の促進が声高に叫ばれ
ている近年、世の中を飛び交う情報通信量は増加の一途
を辿り、現行の通信システムを飛躍的に高速化、大容量
化させる技術革新が望まれ、その中でも光通信技術が有
望視されている。特に、この光通信技術の中でも、単一
波長の光だけでなく、複数波長の光を光ファイバに入射
させ、各波長ごとに異なる信号を乗せて通信を行う波長
多重(WDM)通信が注目を浴びている。
2. Description of the Related Art In recent years, there has been a loud call for the promotion of information technology (IT), and the amount of information communication that flies around the world has continued to increase, a technology that dramatically increases the speed and capacity of existing communication systems. Innovation is desired, and among them, optical communication technology is promising. Of these optical communication technologies, in particular, wavelength-division multiplexing (WDM) communication, in which not only single-wavelength light but also multiple-wavelength light is incident on an optical fiber and different signals are carried for each wavelength, is attracting attention. Taking a bath.

【0003】さらに、波長多重通信に使われる光源とし
て、例えば、「T.Moriokaet al.,“M
ore than 100−wavelength−c
hannel picosecond optical
pulse generation from si
ngle laser source usingsu
percontinuum in optical f
ibers”,Electoronics Lette
rs vol.29,no.10,pp.862−86
4,1993)」(以下、文献1と称す)および特開平
8−29815号公報「白色超短パルス光源」(以下、
文献2と称す)に記載されているように、所定の繰り返
し周期を持つ光パルス列を光ファイバに入射させ、光フ
ァイバの3次非線形光学効果を利用することにより、広
周波数帯域の光を一括発生させる方法が注目されてい
る。
Further, as a light source used for wavelength division multiplexing, for example, "T. Morioka et al.," M.
ore than 100-wavelength-c
channel picosecond optical
pulse generation from si
ngle laser source usingsu
percontinuum in optical f
ibers ”, Electriconics Lette
rs vol. 29, no. 10, pp. 862-86
4, 1993) "(hereinafter referred to as Document 1) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-29815" White ultrashort pulse light source "(hereinafter
(Referred to as Reference 2), an optical pulse train having a predetermined repetition period is incident on an optical fiber, and the third-order nonlinear optical effect of the optical fiber is used to collectively generate light in a wide frequency band. The method of making it attracts attention.

【0004】この方法では、周波数間隔が一定の光、す
なわち、波長間隔が一定の光を一括発生させることがで
きるため、波長制御を簡便に行うことができる。また、
この方法では、高輝度短光パルスが光ファイバ内に入射
した際に生じる3次非線形光学効果に基づく自己位相変
調効果を利用しているため、外部位相変調器を用いるこ
となく、光ファイバ中の走行距離に比例した広い周波数
帯域を獲得することができる。
According to this method, light having a constant frequency interval, that is, light having a constant wavelength interval can be generated all at once, so that wavelength control can be performed easily. Also,
In this method, the self-phase modulation effect based on the third-order nonlinear optical effect generated when a high-intensity short optical pulse is incident on the optical fiber is utilized. It is possible to obtain a wide frequency band proportional to the distance traveled.

【0005】また、K.Tamura et al.,
“Generation of 10GHz puls
e trains at 16 wavelength
by spectrally slicing a
high power femtosecond so
urce” ,Electoronics Lette
rs vol.32,no.18,pp.1691−1
693,1996)」(以下、文献3と称す)および特
開平11−174503号公報「白色パルス光源」(以
下、文献4と称す)には、光のピーク強度を増大させ
て、さらなる広帯域スペクトルを得るため、利得特性を
有する希土類添加ファイバを使用する方法が開示されて
いる。
In addition, K. Tamura et al. ,
"Generation of 10GHz pulses
e trains at 16 wavelength
by spectrally slicing a
high power femtosecond so
urce ”, Electriconics Letter
rs vol. 32, no. 18, pp. 1691-1
693, 1996) "(hereinafter referred to as Document 3) and Japanese Patent Laid-Open No. 11-174503" White pulse light source "(hereinafter referred to as Document 4) increase the peak intensity of light to provide a broader spectrum. To obtain, a method of using a rare earth doped fiber with gain characteristics is disclosed.

【0006】また、OPTRONICS(1998)N
o.5,pp128−132「WDM用光源」;「DW
DM用光源」pp136−140(以下、文献5と称
す)には、発振波長の異なる多数のDFBレーザを1枚
の半導体基板上に集積化した超小型レーザ素子が開示さ
れている。
In addition, OPTRONICS (1998) N
o. 5, pp128-132 "WDM light source";"DW
A light source for DM "pp136-140 (hereinafter referred to as Document 5) discloses a microminiature laser device in which a large number of DFB lasers having different oscillation wavelengths are integrated on one semiconductor substrate.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、文献1
〜4に記載された方法では、3次非線形光学効果を発現
させるためには1km程のファイバ長が必要となり、小
型化が難しいという問題があった。また、文献5に記載
された方法では、各波長を制御するために、各DFBレ
ーザに温度調整装置が必要となり、その調整に多大な労
力が必要となるという問題があった。
DISCLOSURE OF THE INVENTION Problem to be Solved by the Invention
In the methods described in (1) to (4), a fiber length of about 1 km is required to develop the third-order nonlinear optical effect, and there is a problem that miniaturization is difficult. Further, the method described in Document 5 has a problem that a temperature adjusting device is required for each DFB laser in order to control each wavelength, and a great amount of labor is required for the adjustment.

【0008】そこで、本発明の目的は、波長制御の簡便
性を損なうことなく、小型化を容易に行うことが可能な
光機能装置および半導体光導波路を提供することであ
る。
Therefore, an object of the present invention is to provide an optical functional device and a semiconductor optical waveguide which can be easily downsized without impairing the convenience of wavelength control.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、請求項1記載の光機能装置によれば、光パルス
を発生させる光パルス発生器と、キャリアの仮想励起に
よる3次非線形光学効果の増大に基づいて、前記光パル
スの波長を拡大する半導体光導波路とを備えることを特
徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, according to the optical function device of claim 1, an optical pulse generator for generating an optical pulse and a third-order nonlinear optical system by virtual excitation of carriers are provided. And a semiconductor optical waveguide for expanding the wavelength of the optical pulse based on the increase of the effect.

【0010】これにより、半導体光導波路の有効導波路
長を1cm程度に縮小した場合においても、3次非線形
光学効果により、所定の繰り返し周期を持つ光パルス列
を半導体光導波路に入射させるだけで、周波数間隔が一
定で周波数帯域の拡大された光を一括発生させることが
でき、波長制御の簡便性を損なうことなく、小型化を容
易に行うことが可能となる。
As a result, even if the effective waveguide length of the semiconductor optical waveguide is reduced to about 1 cm, the optical pulse train having a predetermined repetition period is incident on the semiconductor optical waveguide due to the third-order nonlinear optical effect. It is possible to collectively generate light with a constant interval and an expanded frequency band, and it is possible to easily reduce the size without impairing the convenience of wavelength control.

【0011】また、請求項2記載の光機能装置によれ
ば、前記光パルス発生器から出射された光パルスの光強
度を増幅する光増幅器をさらに備えることを特徴とす
る。これにより、光のピーク強度を増大させて、さらな
る広帯域スペクトルを容易に得ることができる。また、
請求項3記載の光機能装置によれば、前記光パルス発生
器が半導体パルス光源、前記光増幅器が半導体光増幅器
であることを特徴とする。
Further, according to the optical function device of the second aspect, an optical amplifier for amplifying the light intensity of the optical pulse emitted from the optical pulse generator is further provided. This makes it possible to increase the peak intensity of light and easily obtain a wider broadband spectrum. Also,
According to a third aspect of the optical function device, the optical pulse generator is a semiconductor pulse light source, and the optical amplifier is a semiconductor optical amplifier.

【0012】これにより、装置を大型化することなく、
光のピーク強度を増大させることができ、スペクトルの
広帯域化を容易に実現することが可能となる。また、請
求項4記載の光機能装置によれば、前記半導体パルス光
源、前記半導体光増幅器および前記半導体光導波路が半
導体基板上に集積化されていることを特徴とする。
As a result, without increasing the size of the device,
The peak intensity of light can be increased, and it becomes possible to easily realize a broad band of the spectrum. According to a fourth aspect of the optical function device, the semiconductor pulse light source, the semiconductor optical amplifier, and the semiconductor optical waveguide are integrated on a semiconductor substrate.

【0013】これにより、各素子間の光学的な位置合わ
せや接続を不要としつつ、装置のより一層の小型化が可
能となる。また、請求項5記載の光機能装置によれば、
前記半導体光導波路は、入射光の中心波長λ0が光学吸
収端に差し掛かることなく、バンドギャップ波長λg
δ0<(λ0−λg)/λg<δ1(δ0〜0.01,δ1
0.05)であることを特徴とする。
This makes it possible to further reduce the size of the device while eliminating the need for optical alignment and connection between the elements. According to the optical function device of claim 5,
In the semiconductor optical waveguide, the bandgap wavelength λ g is δ 0 <(λ 0 −λ g ) / λ g10 to 0 without the center wavelength λ 0 of incident light reaching the optical absorption edge. .01, δ 1 ~
0.05).

【0014】これにより、導波路材料の組成を制御する
だけで、キャリアの仮想励起に基づく3次非線形光学効
果を容易に増大させることができ、装置を大型化するこ
となく、周波数間隔が一定で周波数帯域の拡大された光
を一括発生させることができる。また、請求項6記載の
光機能装置によれば、第1導電型半導体基板と、前記第
1導電型半導体基板上に形成された第1導電型クラッド
層と、前記第1導電型クラッド層上に形成されたレーザ
発振用活性層と、前記レーザ発振用活性層と光学的に結
合するように前記第1導電型クラッド層上に形成された
光増幅用活性層と、前記光増幅用活性層と光学的に結合
するように前記第1導電型クラッド層上に形成され、入
射光の中心波長λ0が光学吸収端に差し掛かることな
く、バンドギャップ波長λgがδ0<(λ0−λg)/λg
<δ1(δ0〜0.01,δ1〜0.05)となるように
設定された光導波用コア層と、前記レーザ発振用活性
層、前記光増幅用活性層および前記光導波用コア層上に
形成された第2導電型クラッド層とを備えることを特徴
とする。
As a result, the third-order nonlinear optical effect based on the virtual excitation of carriers can be easily increased only by controlling the composition of the waveguide material, and the frequency interval is constant without increasing the size of the device. It is possible to collectively generate light with an expanded frequency band. According to the optical functional device of claim 6, a first conductivity type semiconductor substrate, a first conductivity type clad layer formed on the first conductivity type semiconductor substrate, and a first conductivity type clad layer. A laser oscillation active layer, an optical amplification active layer formed on the first conductivity type cladding layer so as to be optically coupled to the laser oscillation active layer, and the optical amplification active layer. Is formed on the first-conductivity-type cladding layer so as to be optically coupled with, and the bandgap wavelength λ g is δ 0 <(λ 0 − without the center wavelength λ 0 of incident light reaching the optical absorption edge. λ g ) / λ g
10 to 0.01, δ 1 to 0.05), the optical waveguide core layer, the laser oscillation active layer, the optical amplification active layer, and the optical waveguide. And a second conductivity type clad layer formed on the core layer.

【0015】これにより、結晶成長を選択的に行うだけ
で、半導体パルス光源、半導体光増幅器および半導体光
導波路を半導体基板上に集積化することが可能となり、
装置の小型化を容易に実現することが可能となる。ま
た、請求項7記載の半導体光導波路によれば、入射光の
中心波長λ0が光学吸収端に差し掛かることなく、キャ
リアの仮想励起で3次非線形光学効果が増大するよう
に、バンドギャップ波長λgがδ0<(λ0−λg)/λg
<δ1(δ0〜0.01,δ1〜0.05)に設定されて
いることを特徴とする。
As a result, the semiconductor pulse light source, the semiconductor optical amplifier, and the semiconductor optical waveguide can be integrated on the semiconductor substrate only by selectively performing crystal growth.
It is possible to easily realize the miniaturization of the device. According to the semiconductor optical waveguide of claim 7, the bandgap wavelength is adjusted so that the third-order nonlinear optical effect is increased by virtual excitation of carriers without the center wavelength λ 0 of incident light reaching the optical absorption edge. λ g is δ 0 <(λ 0 −λ g ) / λ g
10 to 0.01, δ 1 to 0.05) is set.

【0016】これにより、導波路材料の組成を制御する
だけで、キャリアの仮想励起に基づく3次非線形光学効
果を容易に増大させることができ、波長制御の簡便性を
損なうことなく、小型化を容易に行うことが可能とな
る。
As a result, the third-order nonlinear optical effect based on virtual excitation of carriers can be easily increased only by controlling the composition of the waveguide material, and the size can be reduced without impairing the convenience of wavelength control. It can be easily performed.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態に係る光
機能装置について図面を参照しながら説明する。図1
は、本発明の第1実施形態に係る光機能装置の構成を示
すブロック図である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Optical function devices according to embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Figure 1
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an optical function device according to a first embodiment of the present invention.

【0018】図1において、半導体モード同期レーザ
1、半導体光増幅器2および半導体光導波路3が光ファ
イバ4、5を介して接続されている。ここで、半導体モ
ード同期レーザ1は中心波長λ0の光パルス列P1を出
力する。半導体光増幅器2は、半導体モード同期レーザ
1から出射された光パルス列を増幅する。半導体光導波
路3は、光学吸収端に差し掛かることなく、キャリアの
仮想励起により3次非線形光学効果が増大するように、
バンドギャップ波長λgがδ0<(λ0−λg)/λ g<δ1
(δ0〜0.01,δ1〜0.05)となるように設定さ
れている。
In FIG. 1, a semiconductor mode-locked laser
1. The semiconductor optical amplifier 2 and the semiconductor optical waveguide 3 are optical fibers.
It is connected via Ivers 4, 5. Here, the semiconductor
The center wavelength λ0Light pulse train P1 of
Force The semiconductor optical amplifier 2 is a semiconductor mode-locked laser.
The optical pulse train emitted from 1 is amplified. Semiconductor optical waveguide
Path 3 does not reach the optical absorption edge and
As virtual excitation increases the third-order nonlinear optical effect,
Bandgap wavelength λgIs δ0<(Λ0−λg) / Λ g1
0~ 0.01, δ1~ 0.05)
Has been.

【0019】そして、半導体モード同期レーザ1から出
射された光パルス列P1は、光ファイバ4を介して半導
体光増幅器2に入射され、半導体光増幅器2で増幅され
る。そして、半導体光増幅器2で増幅された光パルス列
P2は、光ファイバ5を介して半導体光導波路3に入射
され、3次非線形光学効果に基づく位相変調が行われ
る。
The optical pulse train P1 emitted from the semiconductor mode-locked laser 1 is incident on the semiconductor optical amplifier 2 via the optical fiber 4 and is amplified by the semiconductor optical amplifier 2. Then, the optical pulse train P2 amplified by the semiconductor optical amplifier 2 is incident on the semiconductor optical waveguide 3 via the optical fiber 5, and the phase modulation based on the third-order nonlinear optical effect is performed.

【0020】なお、キャリアの仮想励起では、光が媒質
に入射すると、実励起を伴うことなく、多数のキャリア
対(電子−正孔対)を瞬時に生成、消滅させることがで
きる。このため、光吸収を抑制しつつ、光と媒質の非線
形相互作用を増加させることができ、位相変調を行う際
の半導体光導波路3の有効導波路長を短くすることがで
きる。
In the virtual excitation of carriers, when light is incident on the medium, a large number of carrier pairs (electron-hole pairs) can be instantly generated and disappeared without actual excitation. Therefore, it is possible to increase the nonlinear interaction between the light and the medium while suppressing the light absorption, and it is possible to shorten the effective waveguide length of the semiconductor optical waveguide 3 when performing the phase modulation.

【0021】半導体光導波路3に入射された光パルス列
P2が位相変調を受けると、光パルス列P2の周波数帯
域が拡大され、広帯域スペクトルを有する光パルス列P
3が半導体光導波路3から出射される。図2は、本発明
の第1実施形態に係る光機能装置の光強度および周波数
領域でのスペクトル拡がりを示す図である。
When the optical pulse train P2 incident on the semiconductor optical waveguide 3 undergoes phase modulation, the frequency band of the optical pulse train P2 is expanded and the optical pulse train P having a wide band spectrum.
3 is emitted from the semiconductor optical waveguide 3. FIG. 2 is a diagram showing the light intensity and the spectrum spread in the frequency domain of the optical function device according to the first embodiment of the present invention.

【0022】図2(a)において、中心波長λ0、パル
ス幅τ、繰り返し周波数Fの光パルス列P1が半導体モ
ード同期レーザ1から出力される。ここで、光速度をc
とすると、中心周波数f0は、f0=cλ0である。ま
た、周期Tは、T=1/F、周波数拡がりΔf0は、Δ
0=1/τである。例えば、半導体モード同期レーザ
1として、中心波長λ0=1.55μmのInGaAs
P/InP半導体モード同期レーザ、半導体光増幅器2
として、バンドギャップ波長=1.55μmのInGa
AsP/InP半導体光増幅器、半導体光導波路3とし
て、バンドギャップ波長λg=1.5μmのInGaA
sP/InP半導体光導波路を用い、繰り返し周波数F
=25GHz、パルス幅τ=3psの光パルス列を発生
させると、周期T=40ps、周波数拡がりΔf0≒3
33GHzとなる。
In FIG. 2A, an optical pulse train P1 having a center wavelength λ 0 , a pulse width τ and a repetition frequency F is output from the semiconductor mode-locked laser 1. Where the speed of light is c
Then, the center frequency f 0 is f 0 = cλ 0 . Further, the period T is T = 1 / F, the frequency spread Δf 0 is Δ
f 0 = 1 / τ. For example, as the semiconductor mode-locked laser 1, InGaAs having a center wavelength λ 0 = 1.55 μm is used.
P / InP semiconductor mode-locked laser, semiconductor optical amplifier 2
As InGa having a bandgap wavelength of 1.55 μm
An AsP / InP semiconductor optical amplifier and a semiconductor optical waveguide 3 are formed of InGaA having a bandgap wavelength λ g = 1.5 μm.
Repetition frequency F using sP / InP semiconductor optical waveguide
= 25 GHz and a pulse width τ = 3 ps is generated, a period T = 40 ps and a frequency spread Δf 0 ≈3
It becomes 33 GHz.

【0023】次に、図2(b)において、半導体モード
同期レーザ1から出射された光パルス列P1が半導体光
増幅器2に入射されると、光パルス列P1の光強度が増
幅され、ピーク強度Ipeakの光パルス列P2が出射され
る。次に、図2(c)において、半導体光増幅器2から
出射された光パルス列P2が半導体光導波路3に入射さ
れると、3次非線形光学効果に基づく位相変調が行わ
れ、光パルス列P2の周波数拡がりΔf0が周波数拡が
りΔfに拡大する。
Next, in FIG. 2B, when the optical pulse train P1 emitted from the semiconductor mode-locked laser 1 is incident on the semiconductor optical amplifier 2, the optical intensity of the optical pulse train P1 is amplified and the peak intensity I peak is reached. The optical pulse train P2 is emitted. Next, in FIG. 2C, when the optical pulse train P2 emitted from the semiconductor optical amplifier 2 is incident on the semiconductor optical waveguide 3, phase modulation based on the third-order nonlinear optical effect is performed, and the frequency of the optical pulse train P2 is increased. The spread Δf 0 expands to the frequency spread Δf.

【0024】この結果、周波数拡がりΔfを有する光パ
ルス列P3が半導体光導波路3から出射される。ここ
で、変調位相θは、 θ=(2πf02/(cα2))loge(1+α2peakeff) =(1/2)(Re(χ(3))/Im(χ(3)))) ×loge(1+α2peakeff) ・・・(1) え与えられる。
As a result, the optical pulse train P3 having the frequency spread Δf is emitted from the semiconductor optical waveguide 3. Here, the modulation phase θ, θ = (2πf 0 n 2 / (cα 2)) log e (1 + α 2 I peak L eff) = (1/2) (Re (χ (3)) / Im (χ ( 3) ))) × log e (1 + α 2 Ipeak L eff ) ... (1)

【0025】ただし、f0は光の中心周波数、n2は非線
形屈折率係数、α2は2光子吸収係数、χ(3)は3次の電
気感受率、Re(χ(3))はχ(3)の実数部分、Im(χ
(3))はχ(3)の虚数部分、Leffは半導体光導波路3の
有効導波路長である。なお、n0を半導体光導波路3の
等価屈折率とすると、 n2=(3/8n0)Re(χ(3)) α2=(3πf0/(4n0c))Im(χ(3)) という関係がある。
Where f 0 is the center frequency of light, n 2 is the nonlinear refractive index coefficient, α 2 is the two-photon absorption coefficient, χ (3) is the third-order electric susceptibility, and Re (χ (3) ) is χ. The real part of (3) , Im (χ
(3) ) is the imaginary part of χ (3) , and L eff is the effective waveguide length of the semiconductor optical waveguide 3. When n 0 is the equivalent refractive index of the semiconductor optical waveguide 3, n 2 = (3 / 8n 0 ) Re (χ (3) ) α 2 = (3πf 0 / (4n 0 c)) Im (χ (3 ) )

【0026】また、周波数拡がりΔfは、 Δf=Δf0(1+(4/3√3)θ21/2 ・・・(2) で与えられる。ここで、半導体光導波路3のバンドギャ
ップ波長λgを、δ0<(λ0−λg)/λg<δ1(δ0
0.01,δ1〜0.05)に設定することにより、半
導体光導波路3でキャリアの仮想励起を増強させること
が可能となり、半導体光導波路3の有効導波路長Leff
が短い場合においても、周波数拡がりΔfを大きくする
ことができる。
The frequency spread Δf is given by Δf = Δf 0 (1+ (4 / 3√3) θ 2 ) 1/2 (2) Here, the bandgap wavelength λ g of the semiconductor optical waveguide 3 is set to δ 0 <(λ 0 −λ g ) / λ g10 ~
0.01, δ 1 to 0.05), it becomes possible to enhance the virtual excitation of carriers in the semiconductor optical waveguide 3 and the effective waveguide length L eff of the semiconductor optical waveguide 3.
Even when is short, the frequency spread Δf can be increased.

【0027】このため、周波数拡がりΔfを有する光パ
ルス列P3を一括発生させるために、光ファイバ4、5
の非線形光学効果を利用する必要がなくなり、光ファイ
バ4、5を幾らでも短くことが可能となることから、装
置の小型化が可能となる。また、半導体モード同期レー
ザ1と半導体光導波路3との間に半導体光増幅器2を挿
入することにより、半導体光導波路3に入射される光パ
ルス列P2のピーク強度Ipeakを増大させることが可能
となり、半導体モード同期レーザ1から出射される光パ
ルス列P1のピーク強度が小さい場合においても、装置
の大型化を抑制しつつ、周波数拡がりΔfを大きくする
ことができる。
Therefore, in order to collectively generate the optical pulse train P3 having the frequency spread Δf, the optical fibers 4, 5 are
Since it is not necessary to use the non-linear optical effect of (1) and the optical fibers 4 and 5 can be shortened as much as possible, the device can be downsized. Also, by inserting the semiconductor optical amplifier 2 between the semiconductor mode-locked laser 1 and the semiconductor optical waveguide 3, it becomes possible to increase the peak intensity I peak of the optical pulse train P2 incident on the semiconductor optical waveguide 3. Even when the peak intensity of the optical pulse train P1 emitted from the semiconductor mode-locked laser 1 is small, it is possible to increase the frequency spread Δf while suppressing an increase in the size of the device.

【0028】図3は、本発明の一実施形態に係る光ピー
ク強度に対する周波数帯域の拡大率の変化を示す図であ
る。なお、この実施形態では、中心波長λ0=1.55
μmの光がバンドギャップ波長λg=0.3μmの導波
路材料に入射した場合、および1.5μmの導波路材料
に入射した場合の両方について、周波数帯域の拡大率Δ
f/Δf0を、無次元化された光ピーク強度α2peak
effの関数として示した。
FIG. 3 is a diagram showing changes in the expansion rate of the frequency band with respect to the optical peak intensity according to the embodiment of the present invention. In this embodiment, the central wavelength λ 0 = 1.55
The expansion rate Δ of the frequency band for both the case where the light of μm is incident on the waveguide material having the band gap wavelength λ g = 0.3 μm and the case where the light is incident on the waveguide material of 1.5 μm.
f / Δf 0 is a dimensionless optical peak intensity α 2 Ipeak L
Shown as a function of eff .

【0029】ただし、導波路材料の有効導波路長Leff
=1cmに設定し、2光子吸収係数α2は、キャリアの
仮想励起で変化しないので、典型的な値α2=35cm
/GWを用いた。ここで、導波路材料のバンドギャップ
波長λg=1.5μmの場合、中心波長λ0=1.55μ
mの光が光学吸収端に差し掛かることなく、その導波路
材料のバンドギャップ波長λgがδ0<(λ0−λg)/λ
g<δ1(δ0〜0.01,δ1〜0.05)の関係を満た
す。
However, the effective waveguide length L eff of the waveguide material is
= 1 cm, the two-photon absorption coefficient α 2 does not change due to virtual excitation of carriers, so a typical value α 2 = 35 cm
/ GW was used. Here, when the bandgap wavelength λ g = 1.5 μm of the waveguide material, the center wavelength λ 0 = 1.55 μm
The band gap wavelength λ g of the waveguide material is such that δ 0 <(λ 0 −λ g ) / λ without the light of m reaching the optical absorption edge.
The relationship of g10 to 0.01, δ 1 to 0.05) is satisfied.

【0030】一方、導波路材料のバンドギャップ波長λ
g=0.3μmの場合、その導波路材料のバンドギャッ
プ波長λgがδ0<(λ0−λg)/λg<δ1(δ0〜0.
01,δ1〜0.05)の関係を満たさないため、キャ
リアの仮想励起が生じることはない。このため、導波路
材料のバンドギャップ波長λg=1.5μmの場合、キ
ャリアの仮想励起に伴って、(1)式のRe(χ(3)
が増大し、Re(χ(3))/Im(χ(3))=6πとなる
のに対し、導波路材料のバンドギャップ波長λg=0.
3μmの場合、キャリアの仮想励起が生じないため、R
e(χ(3))/Im(χ( 3))=πとなる。
On the other hand, the bandgap wavelength λ of the waveguide material
When g = 0.3 μm, the bandgap wavelength λ g of the waveguide material is δ 0 <(λ 0 −λ g ) / λ g10 to 0.
01, δ 1 to 0.05), the virtual excitation of carriers does not occur. Therefore, when the bandgap wavelength λ g = 1.5 μm of the waveguide material, Re (χ (3) ) in Eq.
Is increased and Re (χ (3) ) / Im (χ (3) ) = 6π, whereas the bandgap wavelength λ g = 0.
In the case of 3 μm, since virtual excitation of carriers does not occur, R
e (χ (3) ) / Im (χ ( 3) ) = π.

【0031】この結果、図3に示すように、無次元化さ
れた光ピーク強度α2peakeff=1の場合、バンドギ
ャップ波長λg=1.5μmの周波数帯域の拡大率Δf
/Δf0は、バンドギャップ波長λg=0.3μmの周波
数帯域の拡大率Δf/Δf0に比べ、約4倍だけ増大さ
せることができる。このため、半導体光導波路3の有効
導波路長Leff=1cmに設定した場合においても、大
きな周波数拡がりΔfを得ることができ、光ファイバ
4、5の長さを短くして、装置を小型化することができ
る。
As a result, as shown in FIG. 3, when the dimensionless optical peak intensity α 2 Ipeak L eff = 1, the expansion rate Δf of the frequency band with the bandgap wavelength λ g = 1.5 μm.
/ Δf 0 can be increased by about 4 times compared with the expansion rate Δf / Δf 0 of the frequency band of the bandgap wavelength λ g = 0.3 μm. Therefore, even when the effective waveguide length L eff of the semiconductor optical waveguide 3 is set to 1 cm, a large frequency spread Δf can be obtained, and the lengths of the optical fibers 4 and 5 are shortened to downsize the device. can do.

【0032】また、所定の繰り返し周期を持った光パル
ス列が入射する際、キャリアの仮想励起による3次非線
形光学効果が増大するように、半導体光導波路3のバン
ドギャップ波長λgを制御することにより、周波数間隔
が一定で周波数帯域の拡大された光を一括発生させるこ
とができ、周波数制御、波長制御を簡素化することがで
きる。
By controlling the bandgap wavelength λ g of the semiconductor optical waveguide 3 so that the third-order nonlinear optical effect due to virtual excitation of carriers is increased when an optical pulse train having a predetermined repetition period is incident. In addition, it is possible to collectively generate light having a constant frequency interval and an expanded frequency band, and it is possible to simplify frequency control and wavelength control.

【0033】図4は、本発明の第2実施形態に係る光機
能装置の概略構成を示す側面図である。図4において、
半導体モード同期レーザ12、半導体光増幅器13およ
び半導体光導波路14は、半導体基板11上にモノリシ
ック集積化されている。ここで、半導体光導波路14
は、光学吸収端に差し掛かることなく、キャリアの仮想
励起で3次非線形光学効果が増大するように、バンドギ
ャップ波長λgがδ0<(λ 0−λg)/λg<δ1(δ0
0.01,δ1〜0.05)となるように設定される。
FIG. 4 shows an optical device according to the second embodiment of the present invention.
It is a side view which shows the schematic structure of a functional device. In FIG.
Semiconductor mode-locked laser 12, semiconductor optical amplifier 13, and
The semiconductor optical waveguide 14 and the semiconductor optical waveguide 14 are monolithically formed on the semiconductor substrate 11.
Are integrated. Here, the semiconductor optical waveguide 14
The virtual of the carrier without approaching the optical absorption edge
As the third-order nonlinear optical effect is increased by excitation,
Wavelength λgIs δ0<(Λ 0−λg) / Λg10~
0.01, δ1.About.0.05).

【0034】これにより、広周波数帯域の光パルス列を
一括発生させることが可能となるとともに、半導体モー
ド同期レーザ12、半導体光増幅器13および半導体光
導波路14を光学的に結合する場合においても、光ファ
イバ4、5を用いる必要がなくなり、装置のより一層の
小型化を可能となる。図5は、本発明の第3実施形態に
係る光機能装置の概略構成を示す断面図である。
As a result, it becomes possible to collectively generate an optical pulse train in a wide frequency band, and even when the semiconductor mode-locked laser 12, the semiconductor optical amplifier 13, and the semiconductor optical waveguide 14 are optically coupled, an optical fiber is used. It is not necessary to use 4 and 5, and the apparatus can be further downsized. FIG. 5 is a sectional view showing a schematic configuration of an optical function device according to the third embodiment of the present invention.

【0035】図5において、n−InP基板24上に
は、InGaAsP/InP半導体モード同期レーザ2
1、InGaAsP/InP半導体光増幅器22および
InGaAsP/InP半導体光導波路23が一体的に
形成されている。すなわち、n−InP基板24上に
は、n−InPクラッド層25が形成され、n−InP
クラッド層25上には、MQWInGaAsP活性層2
6、InGaAsP活性層28およびInGaAsPコ
ア層29が光学的に結合するように形成されている。
In FIG. 5, an InGaAsP / InP semiconductor mode-locked laser 2 is provided on the n-InP substrate 24.
1. InGaAsP / InP semiconductor optical amplifier 22 and InGaAsP / InP semiconductor optical waveguide 23 are integrally formed. That is, the n-InP clad layer 25 is formed on the n-InP substrate 24, and the n-InP clad layer 25 is formed.
The MQWInGaAsP active layer 2 is formed on the clad layer 25.
6, the InGaAsP active layer 28 and the InGaAsP core layer 29 are formed so as to be optically coupled.

【0036】ここで、MQWInGaAsP活性層26
およびInGaAsP活性層28のバンドギャップ波長
は同一に設定される。また、InGaAsPコア層29
のバンドギャップ波長λgは、入射光の中心波長をλ0
すると、入射光が光学吸収端に差し掛からず、δ0
(λ0−λg)/λg<δ1(δ0〜0.01,δ1〜0.0
5)の関係を満たすように設定される。
Here, the MQWInGaAsP active layer 26
The band gap wavelengths of the InGaAsP active layer 28 are set to be the same. Also, the InGaAsP core layer 29
If the center wavelength of the incident light is λ 0 , the bandgap wavelength λ g of the incident light does not reach the optical absorption edge and δ 0 <
0 −λ g ) / λ g10 to 0.01, δ 1 to 0.0
It is set so as to satisfy the relationship of 5).

【0037】例えば、MQWInGaAsP活性層26
およびInGaAsP活性層28のバンドギャップ波長
=1、55μm、InGaAsPコア層29のバンドギ
ャップ波長λg=1、5μmとすることができる。ま
た、MQWInGaAsP活性層26上の一部には、ブ
ラッグ反射器27が形成され、MQWInGaAsP活
性層26、InGaAsP活性層28およびInGaA
sPコア層29上には、p−InPクラッド層30が形
成されている。
For example, the MQWInGaAsP active layer 26
Also, the band gap wavelength of the InGaAsP active layer 28 may be 1,55 μm, and the band gap wavelength λ g of the InGaAsP core layer 29 may be 1,5 μm. A Bragg reflector 27 is formed on a part of the MQWInGaAsP active layer 26, and the MQWInGaAsP active layer 26, the InGaAsP active layer 28 and the InGaA are formed.
A p-InP clad layer 30 is formed on the sP core layer 29.

【0038】さらに、p−InPクラッド層30上に
は、p−InPコンタクト層31が形成され、p−In
Pコンタクト層31上のInGaAsP/InP半導体
モード同期レーザ21の領域には、変調器駆動電極32
およびレーザ駆動電極33が形成され、p−InPコン
タクト層31上のInGaAsP/InP半導体光増幅
器22の領域には、光増幅器駆動電極34が形成されて
いる。
Further, a p-InP contact layer 31 is formed on the p-InP clad layer 30, and the p-InP contact layer 31 is formed.
In the region of the InGaAsP / InP semiconductor mode-locked laser 21 on the P contact layer 31, the modulator drive electrode 32 is provided.
A laser drive electrode 33 is formed, and an optical amplifier drive electrode 34 is formed in the region of the InGaAsP / InP semiconductor optical amplifier 22 on the p-InP contact layer 31.

【0039】また、n−InP基板24の裏面のInG
aAsP/InP半導体モード同期レーザ21およびI
nGaAsP/InP半導体光増幅器22の領域には、
アース電極35が形成されている。また、InGaAs
P/InP半導体モード同期レーザ21側の端面には、
高反射膜36が形成され、InGaAsP/InP半導
体光導波路23側の端面には、低反射膜37が形成され
ている。
The InG on the back surface of the n-InP substrate 24 is also used.
aAsP / InP semiconductor mode-locked laser 21 and I
In the region of the nGaAsP / InP semiconductor optical amplifier 22,
The ground electrode 35 is formed. InGaAs
On the end face of the P / InP semiconductor mode-locked laser 21 side,
A high reflection film 36 is formed, and a low reflection film 37 is formed on the end face on the InGaAsP / InP semiconductor optical waveguide 23 side.

【0040】レーザ駆動電極33に電流を注入すると、
InGaAsP/InP半導体モード同期レーザ21で
レーザ発振が起こり、ここで発生したレーザ光はブラッ
グ反射器27で反射されながら単一モード化される。そ
して、変調器駆動電極32に電界を加えることにより、
MQWInGaAsP活性層26でシュタルク効果が発
生し、InGaAsP/InP半導体モード同期レーザ
21で発生したレーザ光が強度変調され、光パルス列を
生成することができる。
When a current is injected into the laser drive electrode 33,
Laser oscillation occurs in the InGaAsP / InP semiconductor mode-locked laser 21, and the laser light generated here is made into a single mode while being reflected by the Bragg reflector 27. Then, by applying an electric field to the modulator driving electrode 32,
The Stark effect is generated in the MQW InGaAsP active layer 26, and the laser light generated in the InGaAsP / InP semiconductor mode-locked laser 21 is intensity-modulated to generate an optical pulse train.

【0041】InGaAsP/InP半導体モード同期
レーザ21で発生したレーザ光は、InGaAsP/I
nP半導体光増幅器22に入射し、光増幅器駆動電極3
4に電流を注入することにより、光パルスのピーク強度
が増幅される。InGaAsP/InP半導体光増幅器
22で増幅された光パルス列は、InGaAsP/In
P半導体光導波路23に入射し、3次非線形光学効果に
基づく位相変調を受けることにより、周波数帯域が拡大
する。そして、周波数帯域が拡大された光パルス列は、
低反射膜37を介して出射光として出射される。
The laser light generated by the InGaAsP / InP semiconductor mode-locked laser 21 is InGaAsP / I.
The light enters the nP semiconductor optical amplifier 22, and the optical amplifier driving electrode 3
By injecting a current into 4, the peak intensity of the light pulse is amplified. The optical pulse train amplified by the InGaAsP / InP semiconductor optical amplifier 22 is InGaAsP / In
The frequency band is expanded by being incident on the P semiconductor optical waveguide 23 and undergoing phase modulation based on the third-order nonlinear optical effect. And the optical pulse train with expanded frequency band is
It is emitted as emitted light through the low reflection film 37.

【0042】ここで、図5の光機能装置は、MOCVD
(有機金属気相成長)法やMBE(分子線エピタキシ
ー)法等を用いて、InGaAsP/InPを選択的に
結晶成長させることにより、容易に製造することができ
る。なお、上述した実施形態では、InGaAsP/I
nP系を例にとって説明したが、AlGaAs/GaA
s系や、AlGaInAs/GaInAs系などに適用
するようにしてもよい。
Here, the optical functional device of FIG.
It can be easily manufactured by selectively crystallizing the InGaAsP / InP crystal using a (metal organic chemical vapor deposition) method, an MBE (molecular beam epitaxy) method, or the like. In the above-described embodiment, InGaAsP / I
Although the nP system has been described as an example, AlGaAs / GaA
It may be applied to the s system, the AlGaInAs / GaInAs system, or the like.

【0043】また、上述した実施例では、半導体モード
同期レーザ1と半導体光導波路3との間に半導体光増幅
器2を設けた場合について説明したが、半導体モード同
期レーザ1から出射される光パルス列P1のピーク強度
が十分大きい場合には、半導体光増幅器2を省略しても
よい。
In the above-described embodiment, the case where the semiconductor optical amplifier 2 is provided between the semiconductor mode-locked laser 1 and the semiconductor optical waveguide 3 has been described, but the optical pulse train P1 emitted from the semiconductor mode-locked laser 1 is described. If the peak intensity of 1 is sufficiently large, the semiconductor optical amplifier 2 may be omitted.

【0044】[0044]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
所定の繰り返し周期を持つ光パルス列を半導体光導波路
に入射させるだけで、周波数間隔が一定で周波数帯域の
拡大された光を一括発生させることができ、波長制御の
簡便性を損なうことなく、小型化を容易に行うことが可
能となる。
As described above, according to the present invention,
Light can be generated all at once with a constant frequency interval and an expanded frequency band by simply applying an optical pulse train with a predetermined repetition period to the semiconductor optical waveguide, and it is possible to reduce the size without compromising the simplicity of wavelength control. Can be easily performed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1実施形態に係る光機能装置の構成
を示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an optical function device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1実施形態に係る光機能装置の光強
度および周波数領域でのスペクトル拡がりを示す図であ
る。
FIG. 2 is a diagram showing light intensity and spectrum spread in a frequency domain of the optical function device according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の一実施形態に係る光ピーク強度に対す
る周波数帯域の拡大率の変化を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a change in expansion rate of a frequency band with respect to an optical peak intensity according to an embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第2実施形態に係る光機能装置の概略
構成を示す側面図である。
FIG. 4 is a side view showing a schematic configuration of an optical function device according to a second embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第3実施形態に係る光機能装置の概略
構成を示す断面図である。
FIG. 5 is a sectional view showing a schematic configuration of an optical function device according to a third embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、12 半導体モード同期レーザ 2、13 半導体光増幅器 3、14 半導体光導波路 4、5 光ファイバ 11 半導体基板 21 InGaAsP/InP半導体モード同期レーザ 22 InGaAsP/InP半導体光増幅器 23 InGaAsP/InP半導体光導波路 24 n−InP基板 25 n−InPクラッド層 26 MQWInGaAsP活性層 27 ブラッグ反射器 28 InGaAsP活性層 29 InGaAsPコア層 30 p−InPクラッド層 31 p−InPコンタクト層 32 変調器駆動電極 33 レーザ駆動電極 34 光増幅器駆動電極 35 アース電極 36 高反射膜 37 低反射膜 1, 12 Semiconductor mode-locked laser 2, 13 Semiconductor optical amplifier 3, 14 Semiconductor optical waveguide 4, 5 optical fiber 11 Semiconductor substrate 21 InGaAsP / InP semiconductor mode-locked laser 22 InGaAsP / InP semiconductor optical amplifier 23 InGaAsP / InP semiconductor optical waveguide 24 n-InP substrate 25 n-InP clad layer 26 MQWInGaAsP active layer 27 Bragg reflector 28 InGaAsP active layer 29 InGaAsP core layer 30 p-InP clad layer 31 p-InP contact layer 32 modulator drive electrode 33 Laser drive electrode 34 Optical amplifier drive electrode 35 Earth electrode 36 High reflective film 37 Low reflective film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 英一 東京都千代田区大手町二丁目3番1号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 吉國 裕三 東京都千代田区大手町二丁目3番1号 日 本電信電話株式会社内 Fターム(参考) 2H079 AA02 BA01 CA04 DA16 EA03 EA07 EB04 KA18 KA20 2K002 AA02 AB12 BA01 CA13 DA06 DA12 EA30 GA10 HA28 5F073 AA65 AA74 AA83 AB21 BA01 CA12 DA05 EA29    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Eiichi Yamada             2-3-1, Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo             Inside Telegraph and Telephone Corporation (72) Inventor Yuzo Yoshikuni             2-3-1, Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo             Inside Telegraph and Telephone Corporation F-term (reference) 2H079 AA02 BA01 CA04 DA16 EA03                       EA07 EB04 KA18 KA20                 2K002 AA02 AB12 BA01 CA13 DA06                       DA12 EA30 GA10 HA28                 5F073 AA65 AA74 AA83 AB21 BA01                       CA12 DA05 EA29

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 光パルスを発生させる光パルス発生器
と、 キャリアの仮想励起による3次非線形光学効果の増大に
基づいて、前記光パルスの波長を拡大する半導体光導波
路とを備えることを特徴とする光機能装置。
1. An optical pulse generator for generating an optical pulse, and a semiconductor optical waveguide for expanding the wavelength of the optical pulse based on an increase in third-order nonlinear optical effect due to virtual excitation of carriers. Optical function device.
【請求項2】 前記光パルス発生器から出射された光パ
ルスの光強度を増幅する光増幅器をさらに備えることを
特徴とする請求項1記載の光機能装置。
2. The optical functional device according to claim 1, further comprising an optical amplifier that amplifies the light intensity of the optical pulse emitted from the optical pulse generator.
【請求項3】 前記光パルス発生器が半導体パルス光
源、前記光増幅器が半導体光増幅器であることを特徴と
する請求項2記載の光機能装置。
3. The optical function device according to claim 2, wherein the optical pulse generator is a semiconductor pulse light source, and the optical amplifier is a semiconductor optical amplifier.
【請求項4】 前記半導体パルス光源、前記半導体光増
幅器および前記半導体光導波路が半導体基板上に集積化
されていることを特徴とする請求項3記載の光機能装
置。
4. The optical functional device according to claim 3, wherein the semiconductor pulse light source, the semiconductor optical amplifier, and the semiconductor optical waveguide are integrated on a semiconductor substrate.
【請求項5】 前記半導体光導波路は、入射光の中心波
長λ0が光学吸収端に差し掛かることなく、バンドギャ
ップ波長λgがδ0<(λ0−λg)/λg<δ1(δ0
0.01,δ1〜0.05)であることを特徴とする請
求項1〜4のいずれか1記載の光機能装置。
5. The semiconductor optical waveguide has a bandgap wavelength λ g of δ 0 <(λ 0 −λ g ) / λ g1 without the center wavelength λ 0 of incident light reaching the optical absorption edge. (Δ 0 ~
0.01, [delta] 1 to 0.05) optical functional device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that a.
【請求項6】 第1導電型半導体基板と、 前記第1導電型半導体基板上に形成された第1導電型ク
ラッド層と、 前記第1導電型クラッド層上に形成されたレーザ発振用
活性層と、 前記レーザ発振用活性層と光学的に結合するように前記
第1導電型クラッド層上に形成された光増幅用活性層
と、 前記光増幅用活性層と光学的に結合するように前記第1
導電型クラッド層上に形成され、入射光の中心波長λ0
が光学吸収端に差し掛かることなく、バンドギャップ波
長λgがδ0<(λ0−λg)/λg<δ1(δ0〜0.0
1,δ1〜0.05)となるように設定された光導波用
コア層と、 前記レーザ発振用活性層、前記光増幅用活性層および前
記光導波用コア層上に形成された第2導電型クラッド層
とを備えることを特徴とする光機能装置。
6. A first conductivity type semiconductor substrate, a first conductivity type clad layer formed on the first conductivity type semiconductor substrate, and a laser oscillation active layer formed on the first conductivity type clad layer. An optical amplification active layer formed on the first conductivity type clad layer so as to be optically coupled to the laser oscillation active layer; and an optical amplification active layer optically coupled to the optical amplification active layer. First
The central wavelength λ 0 of incident light is formed on the conductive clad layer.
Does not approach the optical absorption edge, and the bandgap wavelength λ g is δ 0 <(λ 0 −λ g ) / λ g10 to 0.0
1, δ 1 to 0.05), and a second layer formed on the optical waveguide core layer, the laser oscillation active layer, the optical amplification active layer, and the optical waveguide core layer. An optical functional device comprising: a conductive clad layer.
【請求項7】 入射光の中心波長λ0が光学吸収端に差
し掛かることなく、 キャリアの仮想励起で3次非線形光学効果が増大するよ
うに、バンドギャップ波長λgがδ0<(λ0−λg)/λ
g<δ1(δ0〜0.01,δ1〜0.05)に設定されて
いることを特徴とする半導体光導波路。
7. The bandgap wavelength λ g is δ 0 <(λ 0 so that the center wavelength λ 0 of the incident light does not reach the optical absorption edge and the third-order nonlinear optical effect is increased by virtual excitation of carriers. −λ g ) / λ
A semiconductor optical waveguide, wherein g10 to 0.01, δ 1 to 0.05) is set.
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