JP2004535679A - ジグザグレーザおよび光増幅器のための半導体 - Google Patents
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Abstract
半導体構造は、第1クラッディング層(12)と、第2クラッディング層(13)と、1つまたは複数の半導体活性領域(11)とを含む。光共振器(20)が、第1ミラーおよび第2ミラーを光学軸に関して構造の対向端部に含むことによって形成される。1つまたは複数の傾斜ファセット(30,31)が、光結合を有する半導体構造を提供する。構造(18)内において光学軸に沿った関連するビーム経路は、ジグザグ経路であり、これは、活性領域の高さに実質的に無関係である。信号生成装置および光増幅器を、構造と共に形成することが可能である。光変調器、マルチプレクサ、およびデマルチプレクサも、構造を使用することが可能である。
Description
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体レーザの分野に関する。より具体的には、本発明の実施形態は、関連するビーム経路が半導体レーザの1つまたは複数の活性領域の縦軸に関してジグザグに進行する半導体レーザに関する。
【背景技術】
【0002】
2001年7月12日に出願された米国仮特許出願第60/304,972号に対する35U.S.C.§119の下での本出願の優先権を主張する。
従来の半導体レーザは、通常ダイオードレーザと呼ばれ、端面発光レーザおよび垂直共振器面発光レーザ(「VCSEL」)の2つの一般的なクラスに分類される。各クラスに関連する利点および欠点がある。
【0003】
端面発光半導体レーザは、利得領域を形成する光学的活性媒質をレーザの光共振器内に含む領域の端面または暴露面から直接発光する。端面発光レーザから放出された光は、活性媒質の利得スペクトルによって制御され、かつ半波長の整数倍が縦方向空洞軸の光路長に等しい波長に限定される周波数スペクトルを有する。端面発光半導体レーザから放出された光は、遠距離場角度発散、すなわち、レーザによって生成された出力ビームが、レーザの出力開口の寸法と比較して相対的に大きいレーザからの距離において分布する角度によって特徴付けられる。端面発光レーザの遠距離場角度発散は、ほとんどの他のレーザより大きい。さらに、アスペクト比、すなわち活性領域の深さに垂直な遠距離場角度発散と活性領域の幅の遠距離場角度発散との比は、1より大きい。すなわち、端面発光レーザによって放出された光円錐は、大きな偏心率を有する楕円であり、したがって、生成される光は、非常に非対称な楕円分布を有する。これにより、視準と、光ファイバへの結合との両方が困難になることがある。波長の制御について、端面発光レーザは、通常、分布帰還構造(DFB)または分布ブラッグ反射器(DBR)など、コストのかかる帰還構造を使用する。端面発光レーザは、一般に、1.3および1.55ミクロン(μm)の波長信号を使用するシステムを含めて、光ファイバシステムによく適している波長において長い利得長を呈示し、したがって、高出力を呈示するという利点を有する。
【0004】
対照的に、VDSELは、レーザの光共振器の利得領域または層を形成する光活性媒質を含む領域に平行な面または表面から光を放出する。VCSELから放出された光は、VCSELの活性媒質の利得スペクトルと、利得層の上下にある多層コーティング構造の共振器特性とによって制御された光の周波数からなる周波数スペクトルを有する。その結果、VCSELは、通常、良好なアスペクト比、すなわちほぼ1に等しいアスペクト比を有する大きな断面積の出力ビームを呈示するという利点を有する。このアスペクト比がほぼ1であることにより、通常のVCSEL出力ビームは、容易に視準され、光ファイバへの容易な結合を提供する。一般に、VCSELは、短い利得長と、高反射率反射器を組み込む必要性があることと、そのような反射器を長距離光ファイバシステムによく適した波長において動作させることが困難であることとを含む欠点を有する。
【0005】
固体状態または代替として液体色素の活性媒質を使用するスラブレーザが、当技術分野では既知である。あるスラブレーザは、折返し空洞設計を使用し、光がスラブ内で進行する経路のために「ジグザグ」レーザとして既知である。そのようなジグザグレーザを設計する動機は、共振器および活性媒質の熱および材料の非一様性によって生成される逸脱を平均化することであった。そのようなジグザグレーザの例は、Kelin(1986年に発行された米国特許第4,617,669号)、Kubaら(1996年に発行された米国特許第5,557,628号)、Komine(1997年に発行された米国特許第5,640、480号)、およびInjeyan(2000年に発行された米国特許第6,094,297号)において開示されている。また、KlimekらのDye Laser Studies Using Zig−Zag Optical Cavity、30 IEEE J.QUANTUM ELECTRONICS1459(1994);Alexander MandlおよびDaniel Klimek、Single−Mode Operation of a Zig−Zag Dye Laser、31 IEEE J.QUANTUM ELECTRONICS 916(1995);およびAlexander MandlおよびDaniel Klimek、Chirp Control of a Single−Mode、Good Beam Quality、Zig−Zag Dye Laser、33 IEEE J.QUANTUM ELECTRONICS 303(1997)をも参照されたい。そのようなジグザグレーザのビーム品質は、共振器の材料の非一様性から生じる逸脱によって限定される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
したがって、従来の半導体製造技術によって作成することができ、長い利得長および良好なアスペクト比を提供し、かつ高価な帰還構造を必要としない半導体レーザまたは半導体光増幅器が必要である。
【課題を解決するための手段】
【0007】
簡潔かつ一般的には、本発明は、ジグザグ構造内に位置する1つまたは複数の半導体活性領域を含む。ジグザグ構造は、1つまたは複数の所望の周波数の光に対して透過性である。光は、1つまたは複数の活性領域に関してジグザグの経路を取る光学軸に沿って、ジグザグ構造内を進行する。全内部反射(「TIR」)のために、ジグザグ構造内においてジグザグ経路を進行するすべての光が保持され、光は、TIR角より小さい角度にあるウィンドウまたは開口によって失われ、または漏れる。ジグザグ構造の利得領域をミラー間に包含し、それにより、共振器が形成され、かつジグザグ構造がレーザとして機能するように、ミラーを光学軸の端部に配置することが可能である。
【0008】
本発明は、複数の態様を呈示する。本発明の一態様は、増幅される光信号が、ジグザグ光学軸に沿ってジグザグ構造に入り、ジグザグ構造内の1つまたは複数の活性領域において増幅され、次いで光学軸に沿ってジグザグ構造を出る光増幅器を含む。本発明の他の態様は、光学軸の対向端部にミラーを有し、それにより共振器またはレーザを形成するジグザグ構造を含む。レーザは、入力光ビームを使ってまたは入力光ビームを必要とせずに出力ビームを生成することが可能である光源または「信号生成装置」として動作することが可能である。出力ビームは、いくつかの光信号変調器のいずれかによって変調することができる。
【0009】
本発明の第1態様は、ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造を包含する光増幅器を包む。ジグザグ構造は、第1活性領域を含む。光は、ジグザグ光学軸に沿って進行し、第1活性領域に関してジグザグ経路を取る。ジグザグ構造は、第1ファセットおよび第2ファセットと光通信し、第1ファセットおよび第2ファセットは、両方ともジグザグ光学軸と交差する。ジグザグ構造は、第1クラディング層および第2クラッディング層を含む。第1活性領域は、第1クラッディング層と第2クラッディング層との間にある。第1活性領域において分布の反転を提供するポンピング手段を含むことが可能である。ポンピング手段は、利得領域に接続された電流源とすることが可能である。ポンピング手段は、光信号源とすることも可能である。第1クラッディング層および第2クラッディング層は、それぞれ、ジグザグ構造のすぐ外側にある領域より大きい屈折率を有する可能性がある。入力信号は、ジグザグ構造内においてジグザグ経路を進行し、第1活性領域によって増幅される。
【0010】
第2態様は、半導体ジグザグレーザを含む。レーザは、ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造を含む。ジグザグ構造は、第1活性領域を含む。光は、ジグザグ光学軸に沿って進行し、第1活性領域に関してジグザグ経路を取る。ジグザグ構造は、第1ファセットおよび第2ファセットと光通信し、第1ファセットおよび第2ファセットは、両方ともジグザグ光学軸と交差する。第1ミラーおよび第2ミラーが、それぞれ、第1ファセットおよび第2ファセットと隣接する光学軸の対向端部に配置され、ジグザグ構造が、光学軸に関して第1ミラーと第2ミラーとの間に位置し、共振器を形成する。第1ミラーおよび第2ミラーは、ジグザグ光学軸に関して互いに平行であり、それぞれ、異なる反射率を有する。ジグザグ構造は、第1クラッディング層および第2クラッディング層を含む。第1活性領域は、第1クラッディング層と第2クラッディング層との間にある。第1活性領域において分布の反転を提供するポンピング手段が含まれる。ポンピング手段は、利得領域に接続された電流源とすることが可能である。ポンピング手段は、光信号源とすることも可能である。第1クラッディング層および第2クラッディング層は、それぞれ、ジグザグ構造のすぐ外側にある領域より大きい屈折率を有する。光は、第1ミラーと第2ミラーとの間にある共振器の内部において共振し、光は、より低い反射率を有するミラーによってジグザグ構造から漏れる。
【0011】
第3態様は、半導体ジグザグレーザから光信号を生成するステップと、光変調器で信号を変調するステップとを包含する光信号を変調する方法を含む。適切な変調器の非限定的なリストには、圧電要素、カーセル、ポッケルスセル、およびマッハ−ツェンダー干渉計が含まれる。
第4態様は、光変調システムを含み、このシステムは、ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造を包含する光共振器を含む。ジグザグ構造は、第1活性領域を含む。ジグザグ光学軸に沿って進行する光は、第1活性領域に関してジグザグ経路を取る。ジグザグ構造は、第1ファセットおよび第2ファセットと光通信し、第1ファセットおよび第2ファセットは、両方ともジグザグ光学軸と交差する。光共振器は、第1ミラーおよび第2ミラーをも含む。各ミラーは、異なる反射率を有する。第1ミラーおよび第2ミラーは、ジグザグ光学軸に関して互いに平行である。ジグザグ構造は、第1クラッディング層および第2クラッディング層を有し、それぞれ、ジグザグ構造のすぐ外側の領域より大きい屈折率を有する。第1活性領域は、第1クラッディング層と第2クラッディング層との間にある。また、第1活性領域をポンピングする手段も含まれ、ポンピング手段は、第1活性領域において分布の反転を提供する。ポンピング手段は、電子的または光学的とすることが可能であり、光共振器に接続された光源とすることが可能である。信号変調器が、光共振器と光通信する。変調された光出力信号が生成される。
【0012】
第5態様は、波長分割多重化を使用する通信システムにおいて使用する半導体ジグザグ逆多重化システムを含む。半導体ジグザグ逆多重化システムは、ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造を含む。ジグザグ構造は、第1活性領域をさらに含む。光は、ジグザグ光学軸に沿って進行し、第1活性領域に関してジグザグ経路を取る。ジグザグ構造は、ジグザグ光学軸と交差する第1ファセットおよび第2ファセットと光通信する。ジグザグ構造は、第1クラッディング層および第2クラッディング層を有し、それぞれ、ジグザグ構造のすぐ外側の領域より大きい屈折率を有する。第1活性領域は、第1クラッディング層と前記第2クラッディング層との間にある。半導体ジグザグ逆多重化システムは、ポンピング手段をさらに含み、この例には、利得領域に接続された電流源および光信号が含まれる。ポンピング手段は、第1半導体活性領域において分布の反転を提供する。入力光ファイバが、第1ファセットを介してジグザグ構造と光通信する。光ファイバは、それぞれが異なる周波数である複数の別々の搬送波信号を含む入力信号を搬送する。各別々の搬送波信号は、利得領域内において別々のジグザグ経路を進行し、第1半導体活性領域によって増幅される。複数の出力光ファイバが、第2ファセットを介してジグザグ構造と光通信する。各別々の搬送波信号は、増幅された後、複数の出力光ファイバの異なる1つに入る。
【0013】
第6態様は、波長分割多重化を使用する通信システムにおいて使用する半導体ジグザグ多重化システムを含む。半導体ジグザグ多重化システムは、ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造を含む。ジグザグ構造は、第1活性領域をさらに含む。光は、ジグザグ光学軸に沿って進行し、第1活性領域に関してジグザグ経路を取る。ジグザグ構造は、ジグザグ光学軸と交差する第1ファセットおよび第2ファセットと光通信する。ジグザグ構造は、第1クラッディング層および第2クラッディング層を有し、それぞれ、ジグザグ構造のすぐ外側の領域より大きい屈折率を有する。第1活性領域は、第1クラッディング層と第2クラッディング層との間にある。ポンピング手段がさらに含まれ、この例には、利得領域に接続された電流源、または光信号が含まれる。ポンピング手段は、第1半導体活性領域において分布の反転を提供する。複数の入力光ファイバが、第1ファセットを介してジグザグ構造と光通信する。複数の光ファイバのそれぞれが、異なる周波数の入力搬送波信号を搬送し、各別々の搬送波信号は、ジグザグ構造内において別々のジグザグ経路を進行し、やはり、第1半導体活性領域によって増幅される。出力光ファイバが、第2ファセットを介してジグザグ構造と光通信する。各別々の搬送波信号は、増幅された後、出力光ファイバに入る。
【0014】
第7態様は、第1クラッディング層と第2クラッディング層との間に少なくとも1つの活性領域を包含する半導体レーザを含む。第1ファセットおよび第2ファセットが、ジグザグ光学軸を介して光通信する。ジグザグ光学軸は、第1クラッディング層と、少なくとも1つの活性領域と、第2クラッディング層とを通過する。レーザ給電手段を含むことが可能である。給電手段は、電流源とすることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
本発明は、図面が添付されている以下の詳細な記述を参照することによって、より完全に理解されるであろう。
以下の記述は、例示としてのみ提供され、特に明示されない限り、本発明の範囲を限定することを意図していない。
本発明は、光増幅器とレーザまたは信号源(「信号生成装置」)との両方を含む。本発明の範囲内では、「光増幅器」という用語は、マルチプレクサおよびデマルチプレクサをも含むことが可能であるが、これに限定されるものではない。本明細書で使用する際に、「ファセット」という用語は、光が通過することが可能である面セグメントまたは面の一部を指すことを含む。さらに、「ファセット」という用語は、あらゆるタイプの外周を有する面セグメントを指すことを含む可能性があり、その例には、平行四辺形、四辺形、台形、および曲線の組合せが含まれるが、これに限定されるものではない。「ファセット」という用語は、結晶ファセット面を指すこともあるが、必ずしもそうではない。
【0016】
同じ要素には同じ名称が付けられている図面を参照すると、本発明の半導体ジグザグレーザ10または半導体光増幅器10が示されている。実施形態に共通である、第1クラッディング層12と第2クラッディング層13との間に位置する半導体活性領域11と、ジグザグ光学軸と光通信している第1ファセットおよび第2ファセットとを含む構造が示されている。本明細書では、この構造を「ジグザグ構造」18と呼ぶことがある。光は、全内部反射(「TIR」)のためにジグザグ経路の光学軸に沿ってジグザグ構造18を通過し、活性領域11の面と交差して、そこで、入射角が鋭角すなわちθc<θi<90°である場合、増幅される。θcは、ジグザグ構造18の屈折率と、その外部の領域の屈折率との比率のアークサインである。ジグザグ構造18は、TIRによる光を包含する境界面または表面によって画定される。
【0017】
図1を参照すると、本発明の実施形態による光増幅器10が示されている。活性領域11が、ジグザグ構造18の内部において、第1クラッディング層12と第2クラッディング層13との間に示されている。クラッディング層は、両方とも所望の波長の光子に対して透過性である。第1クラッディング層12は、基板14の上に位置して示されている。第1クラッディング層12は、基板14より十分に大きい屈折率を有する材料で作成することが可能であり、それにより、基板14と第1クラッディング層12との間の第1境界面12aにおいてTIRが得られる。
【0018】
図1に示した実施形態では、第2クラッディング層13の上に層または材料は配置されていない。これにより、第2クラッディング層13と空気との間の第2境界面13aが得られる。第2クラッディング層13の屈折率と空気の屈折率とが異なるために、TIRが第2境界面13aにおいて生じる。入力プリズム15aおよび出力プリズム15bを、光増幅器10の対向端部において第2クラッディング層13と接触させて配置することが可能である。図1に示したジグザグ構造18は、境界面12aおよび13aと、光結合プリズム15aおよび15bの外面30、31とによって画定される。プリズム15a、15bは、ジグザグ構造内を進行するビームのジグザグ光学軸と交差する。
【0019】
活性領域11の材料は、任意の直接ギャップ半導体とすることが可能である。「直接ギャップ」という用語は、同じ運動量に対応する価電子帯の最大および伝導帯の最小を指し、グラフとしては、半導体のエネルギー運動量の関係のグラフにおいて見ることができる。そのような材料におけるこの直接ギャップの位置合わせは、伝導帯から価電子帯への遷移中に効率的に光子を放出する能力の実証であるが、その理由は、そのような遷移中には光子が主に放出され、一方、音子は、放出されるとしてもわずかであるからである。ジグザグ構造の残りの材料は、1つまたは複数の所望の周波数に対して透過性であればよく、半導体活性領域に結合、接合、または成長する能力を有する。第1クラッディング層および第2クラッディング層は、他の考慮対称によって必要とされるように、pドープまたはnドープとすることが可能である。
【0020】
1つまたは複数の活性領域の材料が、偏光に関係しない場合、第1クラッディング層および第2クラッディング層の屈折率は、1つまたは複数の活性領域の屈折率に整合させる必要はない。1つまたは複数の活性領域の材料が、偏光に関係し、かつs偏光を必要とするとき、クラッディング/活性領域境界面における反射が最小限に抑えられるように、各クラッディング層の屈折率は、1つまたは複数の活性領域の屈折率に厳密に整合されるべきである。
【0021】
活性領域11の適切な直接ギャップ半導体の例には、以下が含まれるが、これに限定されるものではない:ガリウムひ素(GaAS)、ガリウム窒素(GaN)、ガリウム鉛(GaSb)、インジウムリン(InP)、インジウムひ素(InAs)、およびインジウム鉛(InSb)を含む2進半導体;アルミニウムガリウムひ素(AlxGal-xAs)、アルミニウムインジウムひ素(AlxInl-xAs)、ガリウムインジウムひ素(GaxInl-xAs)、ガリウムひ素鉛(GaAsl-xSbx)、およびインジウムひ素リン(InAsl-xPx)を含む3進半導体;インジウムガリウムひ素リン(Inl-xGaxAs1-yPy)、インジウム窒素ひ素リン(InNyAsxPl-x-y)、およびアルミニウムガリウムインジウムひ素(AlxGayInl-x-yAs)を含む4進半導体。合金要素の割合に応じて、合金システムを直接ギャップから間接ギャップに変更することができる場合、直接ギャップが好ましい。
【0022】
好ましい実施形態では、高密度波長分割多重化(DWDM)の応用分野について、インジウムガリウムひ素リン(InGaAsP)を活性領域11の材料に使用することが可能であり、これにより、1.55ミクロンに近い波長の光子が生成される。他の好ましい実施形態では、インジウムリン(InP)の合金またはガリウムひ素(GaAs)の合金を活性領域11において使用することが可能である。InGaAsまたはGaAsを活性領域の材料として使用するある例示的な実施形態では、以下でより詳細に議論する劈開および微細研磨を含む製造技術を使用することが可能である。
【0023】
活性領域11は、少なくとも1つのpドープ直接ギャップ半導体領域と、少なくとも1つのnドープ直接ギャップ半導体領域とを含む(それにより、p−n接合またはp−i−n接合が形成される)。これらのnドープ領域およびpドープ領域は、図面には示されていないが、活性領域11に存在することを理解されたい。
活性領域11は、適切な直接ギャップ半導体から作成された1つまたは複数のヘテロ構造または量子構造、あるいはそのような構造の組合せを含むことも可能である。「量子構造」という用語は、量子井戸、量子細線、および量子点を含む。例示的な実施形態では、量子井戸は、活性領域11の内部に存在する。本発明のある実施形態は、引張歪の影響を受ける量子井戸を含む。ある実施形態は、ヘテロ構造を含み、ダブルヘテロ構造を含むことが可能である。本発明の装置のすべての層は、従来の半導体製造技術によって装置を製造することが可能であるように、近傍と格子整合される。「格子整合される」という用語は、結晶構造の文脈では、各層の材料が、近傍の結晶格子定数に厳密に整合された結晶格子定数を有するように選択されることを意味する。しかし、具体的には歪んだ量子井戸を活性領域11に有する実施形態などのある実施形態では、ある量の格子不整合が望ましい可能性がある。
【0024】
第1クラッディング層12および第2クラッディング層13は、所望の波長に対して透過性であるように、適切な材料で作成される。好ましい実施形態では、第1クラッディング層12は、ドープされていないInGaPで作成され、第2クラッディング層13も、ドープされていないInGaPで作成される。他の好ましい実施形態の例では、第1クラッディング層12は、ドープされていないGaAsで作成され、第2クラッディング層13も、ドープされていないGaAsで作成される。図示したように、たとえば図1では、2つのクラッディング層12、13は、それぞれ、12aおよび13aとそれぞれ示された活性領域11に対する遠位面である。したがって、2つのクラッディング層は、それぞれ、12bおよび13bとそれぞれ示された活性領域11に対する近位面である。好ましい実施形態では、電気接触子(図示せず)が、ポンピングに必要な電流を供給する。
【0025】
引き続き図1を参照して、半導体ジグザグ光増幅器10の構築についてここで記述する。図4〜8に示すレーザ10は、同様な方式で構築することが可能である。まず、材料の層を適切な基板14の上に配置する、または成長させる。次いで、適切な構築技術によって、モノリシック構造を形成する。モノリシック構造は、基板14と、活性領域11と、第1クラッディング層12と、第2クラッディング層13と、存在すれば屈折率識別層21(図4)と、1つまたは複数の傾斜ファセット30、31(図3)とを含む。傾斜ファセットは、面セグメントの形状を有することが可能であり、基板14の上に形成されたモノリシック構造から材料を除去することができる劈開、エッチング、イオンミリング、または他の半導体プロセスによって形成することが可能である。適切な製造方法には、金属有機化学蒸着(MOCVD)、選択領域MOCVD(SA−MOCVD)、または分子ビームエピタクシ(MBE)によるものが含まれるが、これに限定されるものではない。傾斜ファセット30、31(図3)は、既知のDOE製造技術により回折光学要素(DOE)として形成することも可能である。DOEに関する一般的な背景および関連する製造方法については、内容が参照によって本明細書に組み込まれている、Stefan SinzingerおよびJurgen JahnsのMicrooptics、ch.5(1999)を参照されたい。
【0026】
図面には示されていないが、記述するすべての実施形態と共に、活性領域11を励起する手段が使用される。この手段は、分布の反転を生成し、それにより、放射の刺激放出によって光の増幅が創出される。このポンピング手段は、電子的、すなわち、活性領域11を通して電流を供給する電気接触子に印加された電圧であることが好ましい。電子ポンピングを使用したとき、いくつかの既知の技術のいずれかによって、図2に示すように、適切な電気接触子25を半導体ジグザグレーザ10上に製造する、またはそれに接続することが可能である。電気接触子25によって供給されるバイアスは、直流または交流とすることが可能である。電子ポンピングが好ましいが、たとえばフラッシュランプまたはレーザダイオードによる光学ポンピング手段による活性領域11の光学ポンピングも、本発明の範囲内にある。
【0027】
半導体ジグザグレーザおよび光増幅器の光結合の多くの手段は、本発明の範囲内にあり、プリズム結合および消散波結合を含むが、これに限定されるものではない。消散波結合では、ジグザグ構造(「第1構造」)を含むことが可能である第1レンズ、プリズム、または他の導波路構造が、第2レンズ、プリズム、または他の導波構(「第2構造」)から数波長または波長の断片の範囲内に配置され、それにより、2つの構造間にギャップが創出される。第1構造内の電磁場は、第2構造に結合され、消散場すなわち消散波結合によってギャップと交差する。消散波結合を使用して、図7に示し、かつ以下でより詳細に記述するように、半導体ジグザグレーザ10の出力ビーム1を変調することが可能である。
【0028】
引き続き図1を参照すると、入力プリズム15aおよび出力プリズム15bは、性能を向上させるために、反射防止膜でコーティングすることが可能である。プリズムを光結合に使用するとき、プリズムの材料は、プリズムが結合される層の材料の屈折率に厳密に整合するように選択される。プリズムを光結合に使用するとき、プリズム15a、15bは、クラッディング層12、13の一方または両方と接触して配置されて、構造18における損失を最小限に抑えるようにすることが好ましい。構造18は、第1クラッディング層12と第2クラッディング層13との間に位置する半導体活性領域11と、ジグザグ光学軸を介して光通信している第1ファセット30および第2ファセット31とを含む。
【0029】
図2には、光増幅器10の他の実施形態が示されている。第1電気接触子25が、既知の技術により、基板14と接触して形成される。活性領域11と、第1クラッディング層12と、第2クラッディング層13と、基板14とは、図1の実施形態に関して上記で記述したように構築される。しかし、図2に示すように、二酸化ケイ素(SiO2)で作成された保護層19を、低温MOCVDなどの既知の技術により、第2クラッディング層13の上に付着させることが可能である。保護層19は、第2クラッディング層13に対する損傷を防止し、インジウムリン(InP)を含む合金システムを使用する本発明の実施形態では好ましい。半導体の製造において使用される材料のいずれかを使用することが可能であり、その例には二酸化ケイ素および窒化ケイ素(SiNx)が含まれるが、これに限定されるものではない。保護層19は、第2電気接触子16のために第2クラッディング層13を暴露させるようにパターン化される。フォトレジスト層を保護層19のパターンに加えることが可能である。第2電気接触子16の製造を完成するために、RFスパッタリングまたはDCマグネトロンスパッタリングなどの既知の技術により、導体材料を付着させることが可能である。インジウムリン(InP)基板を有する実施形態を含めてある実施形態では、第2保護層(図示せず)をも使用することが有利である可能性がある。
【0030】
図3を参照すると、傾斜ファセット30、31が光増幅器10に形成され、かつプリズムがアウト結合に使用されない光増幅器10が示されている。光増幅器10は、第1傾斜ファセット30および第2傾斜ファセット31を有して形成される。好ましい実施形態では、第1傾斜ファセット30および第2傾斜ファセット31は、劈開によって形成される。また、図3には、増幅自然放出断絶(「ASE断絶」)17も示されている。これは、活性領域11における領域であり、低減された増幅特性を有し、かつ光増幅器10の製造中に形成される。これらのASE断絶17は、電磁場がゼロの振幅を有する活性領域11の領域における増幅自然放出を防止する、または弱めるために、活性領域11に存在することが可能である。ゼロの振幅は、光増幅器10の縦軸に対して横方向の電磁場に定常波が存在することにより生じる可能性がある。このように実施することにより、光増幅器10の効率が増大する。図3では、ジグザグ構造18は、境界面12aおよび13aによって画定される。
【0031】
ここで図4を参照すると、本発明の実施形態による信号生成装置10の側面図が示されている。屈折率識別層21が、第1クラッディング層12と基板14との間に示されている。上記でより詳細に説明したように、屈折率識別層21は、ジグザグ構造18とジグザグ構造18の外部の領域との屈折率の差を変更し、それによりTIR臨界角度を変更することによって、レーザ10の特定の実施形態の設計プロセスを容易にすることが可能である。図示したように、出力ビーム1は、劈開ファセット31を通って伝播する。他の実施形態では、出力手段として、プリズムまたは他の適切な光学構成要素をファセット31の代用とすることが可能である。図4では、光共振器20は、部分反射率コーティングを有し、かつ第1ミラーとして作用する傾斜ファセット31と、第2クラッディング/空気境界面13aの部分と共にルーフプリズムまたは第2ミラーとして作用する劈開端部ファセット35とによって画定される。ジグザグ構造18は、面12aおよび13aによって画定される。
【0032】
さらに図4を参照すると、屈折率識別層21は、屈折率すなわち屈折率識別のステップを提供し、これにより、屈折率識別層/クラッディング層境界面におけるTIRの所望の角度を容易にすることが可能である。この境界面におけるTIRの角度は、必ずしも、外部クラッディング層/空気または保護層境界面の角度と同一とは限らない可能性がある。TIRの角度が同一ではない場合、信号生成装置10は、ある程度非対称平面導波管として作用する。屈折率識別層21の材料は、本明細書において記述する半導体の材料または他の半導体ではない材料とすることが可能である。半導体ジグザグレーザ10は、ビームの横方向閉込めに役立つように、当技術分野において既知の有利な導波路(図示せず)を含むことが可能である。そのような導波路は、被覆メサ埋込みヘテロ構造を含めて埋込み導波路を含むが、これに限定されるものではない。以上は事実であるが、半導体ジグザグレーザが多重横モードを有するように、やはり本発明の範囲内にあり、この場合、WDM光学システムおよび時間分割多重化(「TDM」)光学システムの両方について、多重出力チャネルを実現することができる。
【0033】
ジグザグ構造と、具体的には屈折率識別層であるその外部の領域との屈折率の差の最小値は、ジグザグ構造の利用可能な長さを考慮に入れることによって計算することが可能であり、この長さは、製造プロセスおよび構築プロセスと、ジグザグ構造内におけるビームの反射または「はね返り」の所望の数と、結果的なTIR臨界角度とに依存する可能性がある。TIR臨界角θcは、以下の式から決定することが可能である。
【0034】
[1] θc=sin-1(n2/n1)
上式で、n1は、境界付近のジグザグ構造の屈折率であり、n2は、ジグザグ構造のすぐ外側の屈折率である。ジグザグ構造の長さは、ジグザグ光学軸に沿った望ましい数のはね返りと関連する臨界角θcと、ジグザグ構造の高さとを考慮に入れることによって設計することが可能である。θcは、ビームがジグザグ構造の内部に包含される臨界角を確定する。好ましい実施形態では、はね返りの数は、4と100との間であり、ジグザグ構造の高さは、100ミクロンの程度である。
【0035】
ここで図4〜6を参照すると、活性領域11は、1つまたは複数のモード利得断絶領域またはASE断絶17をも含むことが可能である。以前に記述したように、これらのASE断絶17は、存在するとき、電磁場が1つまたは複数の所望の周波数においてゼロの振幅を有する活性領域11の部分における自然放出を低減することによって、半導体ジグザグレーザ10の効率を増大させるのに役立つ。これらのASE断絶17は、ジグザグ構造18または光共振器20の縦方向モードにおけるレージングを防止または弱めるのに役立つ可能性もある。当技術分野で既知のさまざまな技術を使用して、活性領域11においてASE断絶17を実施することが可能である。そのような技術には、活性領域11の選択領域のエッチング、活性領域11の選択領域の酸化、および活性領域11の選択領域の光子ボンバードメントが含まれるが、これに限定されるものではない。一般に、処理のために選択される領域は、活性領域11の縦軸またはエピタキシャル軸または主軸に対して横方向のストリップである。ASE断絶17は、半導体ジグザグレーザ10の動作モードを選択するように、他の配向で製造することが有利である可能性がある。
【0036】
ここで図5を参照すると、図4と同様の信号生成装置10が、光結合の代替構成で示されている。プリズム32に結合された最大反射器33は、信号生成装置10の一端に結合され、一方、他端では、部分反射率出力結合器プリズム34が、信号生成装置10に結合される。
図6には、信号生成装置10の光結合の代替構成が示されている。コーナキューブプリズム35が、信号生成装置10の一端に結合されて示されており、一方、他端では、部分反射率出力結合装置プリズム34が、信号生成装置10に結合される。
【0037】
図7を参照すると、圧電要素28が、信号生成装置10に比較的接近して、すなわち波長の断片の範囲内に配置されたプリズム55に接続される好ましい実施形態が示されている。圧電要素28は、印加された変調電圧に応答して形状を変化させ、それにより、プリズム55を消散波結合により信号生成装置10に存在する電場に結合する。この結合は、光共振器20内に貯蔵されたエネルギーをどの程度迅速に失うかに影響を与え、光共振器20の質Qと呼ぶことがある。消散波結合は、出力ビーム1を効果的に「遮断する」、すなわち、2進オン−オフ方式で出力ビーム1を変調する。このようにして、信号生成装置10の出力ビーム1は、変調電圧を圧電要素28に印加することによって、Q切り替えされるなど、変調される。これの1つの利点は、出力ビーム1を変調するために、図7に示すビーム経路においてポッケルスセル、カーセルなどの光学要素を必要とせず、したがって、ビーム1の変調が、光学要素の透過特性によって妨害されないことである。その結果、半導体ジグザグレーザでのビーム変調は、比較的迅速である可能性がある。半導体ジグザグレーザ10が信号生成装置または光増幅器として使用されるかに関わらず、圧電要素28または他の変調手段を使用することが可能である。
【0038】
半導体ジグザグレーザ10の出力ビーム1は、当然、カーセル、ポッケルスセル、およびマッハ−ツェンダー干渉計などであるがこれに限定されない他の信号変調装置に結合して、それによって変調することができる。マッハ−ツェンダー干渉計などのさまざまなタイプの信号変調装置は、半導体ジグザグレーザ10と同じ基板14の上に集積することが可能である。本明細書における「変調」という言及は、振幅、強度、偏光、位相、および周波数などを含む光信号のあらゆる特性の変調を含む。
【0039】
図8は、銅から作成することが可能である冷却スラブ40の上に取り付けられた3つの信号生成装置10を示す。冷却スラブ40を含むこの構成は、信号生成装置10の動作により構築された熱を効果的に散逸させる。伝熱を実施するために、当技術分野で既知の他の熱散逸手段を使用することもできる。
本発明の他の実施形態は、複数の活性領域を有するジグザグ構造を含む。複数活性領域は、互いに、また基板の面に関して、平行に層状化することが可能である。レーザビームがジグザグ構造の境界面またはTIR面において反射されたとき、定常波が生成される可能性がある。これらの定常波は、光の異なる波長について異なる位置に存在する。複数活性領域は、異なる波長の信号を効率的に増幅するために、ジグザグ構造の異なる高さにおいて、より具体的にはジグザグ構造を横切る異なる距離において、配置/製造することができる。複数活性領域は、好ましい実施形態では、それぞれ、異なる直接ギャップ半導体材料で作成することが可能である。このようにして、本発明のさまざまな実施形態は、単一の光ファイバによってそれぞれ波長が異なる複数の搬送波信号を有する信号を搬送する波長分割多重化(WDM)システムおよび高密度波長分割多重化(DWDM)システムにおいて使用するのによく適している。
【0040】
本発明の他の特徴により、WDMシステムにおいて使用するのにさらによく適するようになる。これらの特徴は、ジグザグ構造内においてジグザグビーム経路を含む。光学材料の屈折率が、とりわけ波長の関数であるので、異なる波長の光子は、異なる反射角を有し、したがって、材料内において異なる経路を有する。その結果、本発明による装置は、異なる波長の光信号を分散させるように作用することが可能である。したがって、本発明の光学増幅器は、それを複数の出力面を有する出力プリズム、または上に形成された回折格子を有するプリズムに結合することによって、WDMシステムのマルチプレクサまたはデマルチプレクサとして特によく適している。同様に、1つまたは複数の回折格子を、プリズムが光結合には使用されていない、利得領域の傾斜面の上にパターン化することが可能である。光増幅器を使用するWDMシステムの個々の波長チャネルで実現される分散の量は、その例を本明細書において記述しており、ジグザグ構造の長さ、または結合に使用されるプリズムの寸法あるいは角度、あるいはその両方の組合せによって選択することが可能である。
【0041】
本発明の実施形態によるデマルチプレクサは、ジグザグ構造と光通信している光ファイバなどの光入力チャネルと、ジグザグ構造と光通信している光ファイバなどの複数の光出力チャネルとを含むことが可能である。本発明によるマルチプレクサは、ジグザグ構造と光通信している光ファイバなどの複数の光入力チャネルと、ジグザグ構造と光通信している光ファイバなどの光出力チャネルとを含むことが可能である。本発明のマルチプレクサまたはデマルチプレクサの実施形態は、信号を多重化または逆多重化する際に、光信号を増幅することができるという利点を提供する。
【0042】
本発明の実施形態は、ビームのサイズが、レージング媒質の高さとはほぼ無関係である半導体ジグザグ構造設計によって、高度なスケーラビリティおよび高度な集積可能性の特徴を提供する。ジグザグ構造内では、光は、鋸歯またはジグザグ経路の光学軸に沿って進行する。ジグザグ経路は、ジグザグ構造の材料と、そのすぐ外側の材料または領域との屈折率の差の結果である。この屈折率の差により、全内部反射(TIR)が生成され、このために、複雑なまたはコストのかかる帰還構造は必要ではない。ジグザグ構造は、光がジグザグ構造を出る、またはジグザグ構造に入る、あるいは入ることと出ることとの両方を可能にする1つまたは複数の傾斜ファセットと光通信している。ミラーが、光学軸の対向端部かつジグザグ構造の外部に配置されたとき、共振器と、したがってレーザとが実現される。半導体レーザおよび光増幅器は、有益なアスペクト比を有する出力ビームを提供し、これにより、光ファイバへの結合を改善することが可能になる。活性領域の材料を適切に選択し、かつジグザグ構造の寸法を適切に選択することによって、所望の光波長の光子を放出するように、半導体ジグザグレーザを設計することができる。
【0043】
本発明の範囲内において、当然、以上に関する変更を実施することができる。たとえば、本発明の装置は、より高度な利得を生成するように、より長くスケーリングすることができる。ある実施形態では、活性領域は、基板の上に直接成長させることが可能であり、この場合、基板自体を第1クラッディング層の代用とすることが可能である。他の実施形態では、電気接触子を、ジグザグ半導体レーザの端部など、半導体ジグザグレーザ上の異なる位置に配置することができる。電気接触子の位置決めが、活性領域を流れる電流に備える限り、電気接触子について多くの位置が可能である。
【0044】
他の例として、本発明は、長距離光ファイバネットワークの光再生成装置においてなど、エルビウムドープファイバ増幅器が現在使用されている状況において、置き換わるものとして役立つ可能性もある。
以上の記述は、例示であり、本発明の範囲に関する限定ではないことが理解されるであろう。本発明の範囲から逸脱せずに、多くの修正および変更を実施することができることがさらに理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0045】
【図1】本発明の一実施形態による、反射防止膜を有するプリズム結合を使用する光増幅器の側面図かつ断面図である。
【図2】本発明の一実施形態による、反射防止膜を有するプリズム結合を使用する光増幅器の側面図かつ断面図である。
【図3】本発明の他の実施形態による、劈開ファセット結合を有する光増幅器の断面図である。
【図4】最大反射器ミラーを一端に有し、部分反射率出力結合器を他端に有する信号生成装置の断面図である。
【図5】本発明の代替実施形態による、最大反射器ミラーと併用されるプリズム結合を有する信号生成装置の断面図である。
【図6】本発明の代替実施形態による、コーナキューブプリズムおよびプリズムアウト結合を有する信号生成装置を示す図である。
【図7】本発明の他の実施形態による、信号生成装置と、信号生成装置の出力を変調するために使用される圧電装置とを有する変調システムを示す図である。
【図8】本発明の一実施形態による、3つの信号生成装置を冷却する冷却システムを示す図である。
【0001】
本発明は、半導体レーザの分野に関する。より具体的には、本発明の実施形態は、関連するビーム経路が半導体レーザの1つまたは複数の活性領域の縦軸に関してジグザグに進行する半導体レーザに関する。
【背景技術】
【0002】
2001年7月12日に出願された米国仮特許出願第60/304,972号に対する35U.S.C.§119の下での本出願の優先権を主張する。
従来の半導体レーザは、通常ダイオードレーザと呼ばれ、端面発光レーザおよび垂直共振器面発光レーザ(「VCSEL」)の2つの一般的なクラスに分類される。各クラスに関連する利点および欠点がある。
【0003】
端面発光半導体レーザは、利得領域を形成する光学的活性媒質をレーザの光共振器内に含む領域の端面または暴露面から直接発光する。端面発光レーザから放出された光は、活性媒質の利得スペクトルによって制御され、かつ半波長の整数倍が縦方向空洞軸の光路長に等しい波長に限定される周波数スペクトルを有する。端面発光半導体レーザから放出された光は、遠距離場角度発散、すなわち、レーザによって生成された出力ビームが、レーザの出力開口の寸法と比較して相対的に大きいレーザからの距離において分布する角度によって特徴付けられる。端面発光レーザの遠距離場角度発散は、ほとんどの他のレーザより大きい。さらに、アスペクト比、すなわち活性領域の深さに垂直な遠距離場角度発散と活性領域の幅の遠距離場角度発散との比は、1より大きい。すなわち、端面発光レーザによって放出された光円錐は、大きな偏心率を有する楕円であり、したがって、生成される光は、非常に非対称な楕円分布を有する。これにより、視準と、光ファイバへの結合との両方が困難になることがある。波長の制御について、端面発光レーザは、通常、分布帰還構造(DFB)または分布ブラッグ反射器(DBR)など、コストのかかる帰還構造を使用する。端面発光レーザは、一般に、1.3および1.55ミクロン(μm)の波長信号を使用するシステムを含めて、光ファイバシステムによく適している波長において長い利得長を呈示し、したがって、高出力を呈示するという利点を有する。
【0004】
対照的に、VDSELは、レーザの光共振器の利得領域または層を形成する光活性媒質を含む領域に平行な面または表面から光を放出する。VCSELから放出された光は、VCSELの活性媒質の利得スペクトルと、利得層の上下にある多層コーティング構造の共振器特性とによって制御された光の周波数からなる周波数スペクトルを有する。その結果、VCSELは、通常、良好なアスペクト比、すなわちほぼ1に等しいアスペクト比を有する大きな断面積の出力ビームを呈示するという利点を有する。このアスペクト比がほぼ1であることにより、通常のVCSEL出力ビームは、容易に視準され、光ファイバへの容易な結合を提供する。一般に、VCSELは、短い利得長と、高反射率反射器を組み込む必要性があることと、そのような反射器を長距離光ファイバシステムによく適した波長において動作させることが困難であることとを含む欠点を有する。
【0005】
固体状態または代替として液体色素の活性媒質を使用するスラブレーザが、当技術分野では既知である。あるスラブレーザは、折返し空洞設計を使用し、光がスラブ内で進行する経路のために「ジグザグ」レーザとして既知である。そのようなジグザグレーザを設計する動機は、共振器および活性媒質の熱および材料の非一様性によって生成される逸脱を平均化することであった。そのようなジグザグレーザの例は、Kelin(1986年に発行された米国特許第4,617,669号)、Kubaら(1996年に発行された米国特許第5,557,628号)、Komine(1997年に発行された米国特許第5,640、480号)、およびInjeyan(2000年に発行された米国特許第6,094,297号)において開示されている。また、KlimekらのDye Laser Studies Using Zig−Zag Optical Cavity、30 IEEE J.QUANTUM ELECTRONICS1459(1994);Alexander MandlおよびDaniel Klimek、Single−Mode Operation of a Zig−Zag Dye Laser、31 IEEE J.QUANTUM ELECTRONICS 916(1995);およびAlexander MandlおよびDaniel Klimek、Chirp Control of a Single−Mode、Good Beam Quality、Zig−Zag Dye Laser、33 IEEE J.QUANTUM ELECTRONICS 303(1997)をも参照されたい。そのようなジグザグレーザのビーム品質は、共振器の材料の非一様性から生じる逸脱によって限定される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
したがって、従来の半導体製造技術によって作成することができ、長い利得長および良好なアスペクト比を提供し、かつ高価な帰還構造を必要としない半導体レーザまたは半導体光増幅器が必要である。
【課題を解決するための手段】
【0007】
簡潔かつ一般的には、本発明は、ジグザグ構造内に位置する1つまたは複数の半導体活性領域を含む。ジグザグ構造は、1つまたは複数の所望の周波数の光に対して透過性である。光は、1つまたは複数の活性領域に関してジグザグの経路を取る光学軸に沿って、ジグザグ構造内を進行する。全内部反射(「TIR」)のために、ジグザグ構造内においてジグザグ経路を進行するすべての光が保持され、光は、TIR角より小さい角度にあるウィンドウまたは開口によって失われ、または漏れる。ジグザグ構造の利得領域をミラー間に包含し、それにより、共振器が形成され、かつジグザグ構造がレーザとして機能するように、ミラーを光学軸の端部に配置することが可能である。
【0008】
本発明は、複数の態様を呈示する。本発明の一態様は、増幅される光信号が、ジグザグ光学軸に沿ってジグザグ構造に入り、ジグザグ構造内の1つまたは複数の活性領域において増幅され、次いで光学軸に沿ってジグザグ構造を出る光増幅器を含む。本発明の他の態様は、光学軸の対向端部にミラーを有し、それにより共振器またはレーザを形成するジグザグ構造を含む。レーザは、入力光ビームを使ってまたは入力光ビームを必要とせずに出力ビームを生成することが可能である光源または「信号生成装置」として動作することが可能である。出力ビームは、いくつかの光信号変調器のいずれかによって変調することができる。
【0009】
本発明の第1態様は、ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造を包含する光増幅器を包む。ジグザグ構造は、第1活性領域を含む。光は、ジグザグ光学軸に沿って進行し、第1活性領域に関してジグザグ経路を取る。ジグザグ構造は、第1ファセットおよび第2ファセットと光通信し、第1ファセットおよび第2ファセットは、両方ともジグザグ光学軸と交差する。ジグザグ構造は、第1クラディング層および第2クラッディング層を含む。第1活性領域は、第1クラッディング層と第2クラッディング層との間にある。第1活性領域において分布の反転を提供するポンピング手段を含むことが可能である。ポンピング手段は、利得領域に接続された電流源とすることが可能である。ポンピング手段は、光信号源とすることも可能である。第1クラッディング層および第2クラッディング層は、それぞれ、ジグザグ構造のすぐ外側にある領域より大きい屈折率を有する可能性がある。入力信号は、ジグザグ構造内においてジグザグ経路を進行し、第1活性領域によって増幅される。
【0010】
第2態様は、半導体ジグザグレーザを含む。レーザは、ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造を含む。ジグザグ構造は、第1活性領域を含む。光は、ジグザグ光学軸に沿って進行し、第1活性領域に関してジグザグ経路を取る。ジグザグ構造は、第1ファセットおよび第2ファセットと光通信し、第1ファセットおよび第2ファセットは、両方ともジグザグ光学軸と交差する。第1ミラーおよび第2ミラーが、それぞれ、第1ファセットおよび第2ファセットと隣接する光学軸の対向端部に配置され、ジグザグ構造が、光学軸に関して第1ミラーと第2ミラーとの間に位置し、共振器を形成する。第1ミラーおよび第2ミラーは、ジグザグ光学軸に関して互いに平行であり、それぞれ、異なる反射率を有する。ジグザグ構造は、第1クラッディング層および第2クラッディング層を含む。第1活性領域は、第1クラッディング層と第2クラッディング層との間にある。第1活性領域において分布の反転を提供するポンピング手段が含まれる。ポンピング手段は、利得領域に接続された電流源とすることが可能である。ポンピング手段は、光信号源とすることも可能である。第1クラッディング層および第2クラッディング層は、それぞれ、ジグザグ構造のすぐ外側にある領域より大きい屈折率を有する。光は、第1ミラーと第2ミラーとの間にある共振器の内部において共振し、光は、より低い反射率を有するミラーによってジグザグ構造から漏れる。
【0011】
第3態様は、半導体ジグザグレーザから光信号を生成するステップと、光変調器で信号を変調するステップとを包含する光信号を変調する方法を含む。適切な変調器の非限定的なリストには、圧電要素、カーセル、ポッケルスセル、およびマッハ−ツェンダー干渉計が含まれる。
第4態様は、光変調システムを含み、このシステムは、ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造を包含する光共振器を含む。ジグザグ構造は、第1活性領域を含む。ジグザグ光学軸に沿って進行する光は、第1活性領域に関してジグザグ経路を取る。ジグザグ構造は、第1ファセットおよび第2ファセットと光通信し、第1ファセットおよび第2ファセットは、両方ともジグザグ光学軸と交差する。光共振器は、第1ミラーおよび第2ミラーをも含む。各ミラーは、異なる反射率を有する。第1ミラーおよび第2ミラーは、ジグザグ光学軸に関して互いに平行である。ジグザグ構造は、第1クラッディング層および第2クラッディング層を有し、それぞれ、ジグザグ構造のすぐ外側の領域より大きい屈折率を有する。第1活性領域は、第1クラッディング層と第2クラッディング層との間にある。また、第1活性領域をポンピングする手段も含まれ、ポンピング手段は、第1活性領域において分布の反転を提供する。ポンピング手段は、電子的または光学的とすることが可能であり、光共振器に接続された光源とすることが可能である。信号変調器が、光共振器と光通信する。変調された光出力信号が生成される。
【0012】
第5態様は、波長分割多重化を使用する通信システムにおいて使用する半導体ジグザグ逆多重化システムを含む。半導体ジグザグ逆多重化システムは、ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造を含む。ジグザグ構造は、第1活性領域をさらに含む。光は、ジグザグ光学軸に沿って進行し、第1活性領域に関してジグザグ経路を取る。ジグザグ構造は、ジグザグ光学軸と交差する第1ファセットおよび第2ファセットと光通信する。ジグザグ構造は、第1クラッディング層および第2クラッディング層を有し、それぞれ、ジグザグ構造のすぐ外側の領域より大きい屈折率を有する。第1活性領域は、第1クラッディング層と前記第2クラッディング層との間にある。半導体ジグザグ逆多重化システムは、ポンピング手段をさらに含み、この例には、利得領域に接続された電流源および光信号が含まれる。ポンピング手段は、第1半導体活性領域において分布の反転を提供する。入力光ファイバが、第1ファセットを介してジグザグ構造と光通信する。光ファイバは、それぞれが異なる周波数である複数の別々の搬送波信号を含む入力信号を搬送する。各別々の搬送波信号は、利得領域内において別々のジグザグ経路を進行し、第1半導体活性領域によって増幅される。複数の出力光ファイバが、第2ファセットを介してジグザグ構造と光通信する。各別々の搬送波信号は、増幅された後、複数の出力光ファイバの異なる1つに入る。
【0013】
第6態様は、波長分割多重化を使用する通信システムにおいて使用する半導体ジグザグ多重化システムを含む。半導体ジグザグ多重化システムは、ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造を含む。ジグザグ構造は、第1活性領域をさらに含む。光は、ジグザグ光学軸に沿って進行し、第1活性領域に関してジグザグ経路を取る。ジグザグ構造は、ジグザグ光学軸と交差する第1ファセットおよび第2ファセットと光通信する。ジグザグ構造は、第1クラッディング層および第2クラッディング層を有し、それぞれ、ジグザグ構造のすぐ外側の領域より大きい屈折率を有する。第1活性領域は、第1クラッディング層と第2クラッディング層との間にある。ポンピング手段がさらに含まれ、この例には、利得領域に接続された電流源、または光信号が含まれる。ポンピング手段は、第1半導体活性領域において分布の反転を提供する。複数の入力光ファイバが、第1ファセットを介してジグザグ構造と光通信する。複数の光ファイバのそれぞれが、異なる周波数の入力搬送波信号を搬送し、各別々の搬送波信号は、ジグザグ構造内において別々のジグザグ経路を進行し、やはり、第1半導体活性領域によって増幅される。出力光ファイバが、第2ファセットを介してジグザグ構造と光通信する。各別々の搬送波信号は、増幅された後、出力光ファイバに入る。
【0014】
第7態様は、第1クラッディング層と第2クラッディング層との間に少なくとも1つの活性領域を包含する半導体レーザを含む。第1ファセットおよび第2ファセットが、ジグザグ光学軸を介して光通信する。ジグザグ光学軸は、第1クラッディング層と、少なくとも1つの活性領域と、第2クラッディング層とを通過する。レーザ給電手段を含むことが可能である。給電手段は、電流源とすることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
本発明は、図面が添付されている以下の詳細な記述を参照することによって、より完全に理解されるであろう。
以下の記述は、例示としてのみ提供され、特に明示されない限り、本発明の範囲を限定することを意図していない。
本発明は、光増幅器とレーザまたは信号源(「信号生成装置」)との両方を含む。本発明の範囲内では、「光増幅器」という用語は、マルチプレクサおよびデマルチプレクサをも含むことが可能であるが、これに限定されるものではない。本明細書で使用する際に、「ファセット」という用語は、光が通過することが可能である面セグメントまたは面の一部を指すことを含む。さらに、「ファセット」という用語は、あらゆるタイプの外周を有する面セグメントを指すことを含む可能性があり、その例には、平行四辺形、四辺形、台形、および曲線の組合せが含まれるが、これに限定されるものではない。「ファセット」という用語は、結晶ファセット面を指すこともあるが、必ずしもそうではない。
【0016】
同じ要素には同じ名称が付けられている図面を参照すると、本発明の半導体ジグザグレーザ10または半導体光増幅器10が示されている。実施形態に共通である、第1クラッディング層12と第2クラッディング層13との間に位置する半導体活性領域11と、ジグザグ光学軸と光通信している第1ファセットおよび第2ファセットとを含む構造が示されている。本明細書では、この構造を「ジグザグ構造」18と呼ぶことがある。光は、全内部反射(「TIR」)のためにジグザグ経路の光学軸に沿ってジグザグ構造18を通過し、活性領域11の面と交差して、そこで、入射角が鋭角すなわちθc<θi<90°である場合、増幅される。θcは、ジグザグ構造18の屈折率と、その外部の領域の屈折率との比率のアークサインである。ジグザグ構造18は、TIRによる光を包含する境界面または表面によって画定される。
【0017】
図1を参照すると、本発明の実施形態による光増幅器10が示されている。活性領域11が、ジグザグ構造18の内部において、第1クラッディング層12と第2クラッディング層13との間に示されている。クラッディング層は、両方とも所望の波長の光子に対して透過性である。第1クラッディング層12は、基板14の上に位置して示されている。第1クラッディング層12は、基板14より十分に大きい屈折率を有する材料で作成することが可能であり、それにより、基板14と第1クラッディング層12との間の第1境界面12aにおいてTIRが得られる。
【0018】
図1に示した実施形態では、第2クラッディング層13の上に層または材料は配置されていない。これにより、第2クラッディング層13と空気との間の第2境界面13aが得られる。第2クラッディング層13の屈折率と空気の屈折率とが異なるために、TIRが第2境界面13aにおいて生じる。入力プリズム15aおよび出力プリズム15bを、光増幅器10の対向端部において第2クラッディング層13と接触させて配置することが可能である。図1に示したジグザグ構造18は、境界面12aおよび13aと、光結合プリズム15aおよび15bの外面30、31とによって画定される。プリズム15a、15bは、ジグザグ構造内を進行するビームのジグザグ光学軸と交差する。
【0019】
活性領域11の材料は、任意の直接ギャップ半導体とすることが可能である。「直接ギャップ」という用語は、同じ運動量に対応する価電子帯の最大および伝導帯の最小を指し、グラフとしては、半導体のエネルギー運動量の関係のグラフにおいて見ることができる。そのような材料におけるこの直接ギャップの位置合わせは、伝導帯から価電子帯への遷移中に効率的に光子を放出する能力の実証であるが、その理由は、そのような遷移中には光子が主に放出され、一方、音子は、放出されるとしてもわずかであるからである。ジグザグ構造の残りの材料は、1つまたは複数の所望の周波数に対して透過性であればよく、半導体活性領域に結合、接合、または成長する能力を有する。第1クラッディング層および第2クラッディング層は、他の考慮対称によって必要とされるように、pドープまたはnドープとすることが可能である。
【0020】
1つまたは複数の活性領域の材料が、偏光に関係しない場合、第1クラッディング層および第2クラッディング層の屈折率は、1つまたは複数の活性領域の屈折率に整合させる必要はない。1つまたは複数の活性領域の材料が、偏光に関係し、かつs偏光を必要とするとき、クラッディング/活性領域境界面における反射が最小限に抑えられるように、各クラッディング層の屈折率は、1つまたは複数の活性領域の屈折率に厳密に整合されるべきである。
【0021】
活性領域11の適切な直接ギャップ半導体の例には、以下が含まれるが、これに限定されるものではない:ガリウムひ素(GaAS)、ガリウム窒素(GaN)、ガリウム鉛(GaSb)、インジウムリン(InP)、インジウムひ素(InAs)、およびインジウム鉛(InSb)を含む2進半導体;アルミニウムガリウムひ素(AlxGal-xAs)、アルミニウムインジウムひ素(AlxInl-xAs)、ガリウムインジウムひ素(GaxInl-xAs)、ガリウムひ素鉛(GaAsl-xSbx)、およびインジウムひ素リン(InAsl-xPx)を含む3進半導体;インジウムガリウムひ素リン(Inl-xGaxAs1-yPy)、インジウム窒素ひ素リン(InNyAsxPl-x-y)、およびアルミニウムガリウムインジウムひ素(AlxGayInl-x-yAs)を含む4進半導体。合金要素の割合に応じて、合金システムを直接ギャップから間接ギャップに変更することができる場合、直接ギャップが好ましい。
【0022】
好ましい実施形態では、高密度波長分割多重化(DWDM)の応用分野について、インジウムガリウムひ素リン(InGaAsP)を活性領域11の材料に使用することが可能であり、これにより、1.55ミクロンに近い波長の光子が生成される。他の好ましい実施形態では、インジウムリン(InP)の合金またはガリウムひ素(GaAs)の合金を活性領域11において使用することが可能である。InGaAsまたはGaAsを活性領域の材料として使用するある例示的な実施形態では、以下でより詳細に議論する劈開および微細研磨を含む製造技術を使用することが可能である。
【0023】
活性領域11は、少なくとも1つのpドープ直接ギャップ半導体領域と、少なくとも1つのnドープ直接ギャップ半導体領域とを含む(それにより、p−n接合またはp−i−n接合が形成される)。これらのnドープ領域およびpドープ領域は、図面には示されていないが、活性領域11に存在することを理解されたい。
活性領域11は、適切な直接ギャップ半導体から作成された1つまたは複数のヘテロ構造または量子構造、あるいはそのような構造の組合せを含むことも可能である。「量子構造」という用語は、量子井戸、量子細線、および量子点を含む。例示的な実施形態では、量子井戸は、活性領域11の内部に存在する。本発明のある実施形態は、引張歪の影響を受ける量子井戸を含む。ある実施形態は、ヘテロ構造を含み、ダブルヘテロ構造を含むことが可能である。本発明の装置のすべての層は、従来の半導体製造技術によって装置を製造することが可能であるように、近傍と格子整合される。「格子整合される」という用語は、結晶構造の文脈では、各層の材料が、近傍の結晶格子定数に厳密に整合された結晶格子定数を有するように選択されることを意味する。しかし、具体的には歪んだ量子井戸を活性領域11に有する実施形態などのある実施形態では、ある量の格子不整合が望ましい可能性がある。
【0024】
第1クラッディング層12および第2クラッディング層13は、所望の波長に対して透過性であるように、適切な材料で作成される。好ましい実施形態では、第1クラッディング層12は、ドープされていないInGaPで作成され、第2クラッディング層13も、ドープされていないInGaPで作成される。他の好ましい実施形態の例では、第1クラッディング層12は、ドープされていないGaAsで作成され、第2クラッディング層13も、ドープされていないGaAsで作成される。図示したように、たとえば図1では、2つのクラッディング層12、13は、それぞれ、12aおよび13aとそれぞれ示された活性領域11に対する遠位面である。したがって、2つのクラッディング層は、それぞれ、12bおよび13bとそれぞれ示された活性領域11に対する近位面である。好ましい実施形態では、電気接触子(図示せず)が、ポンピングに必要な電流を供給する。
【0025】
引き続き図1を参照して、半導体ジグザグ光増幅器10の構築についてここで記述する。図4〜8に示すレーザ10は、同様な方式で構築することが可能である。まず、材料の層を適切な基板14の上に配置する、または成長させる。次いで、適切な構築技術によって、モノリシック構造を形成する。モノリシック構造は、基板14と、活性領域11と、第1クラッディング層12と、第2クラッディング層13と、存在すれば屈折率識別層21(図4)と、1つまたは複数の傾斜ファセット30、31(図3)とを含む。傾斜ファセットは、面セグメントの形状を有することが可能であり、基板14の上に形成されたモノリシック構造から材料を除去することができる劈開、エッチング、イオンミリング、または他の半導体プロセスによって形成することが可能である。適切な製造方法には、金属有機化学蒸着(MOCVD)、選択領域MOCVD(SA−MOCVD)、または分子ビームエピタクシ(MBE)によるものが含まれるが、これに限定されるものではない。傾斜ファセット30、31(図3)は、既知のDOE製造技術により回折光学要素(DOE)として形成することも可能である。DOEに関する一般的な背景および関連する製造方法については、内容が参照によって本明細書に組み込まれている、Stefan SinzingerおよびJurgen JahnsのMicrooptics、ch.5(1999)を参照されたい。
【0026】
図面には示されていないが、記述するすべての実施形態と共に、活性領域11を励起する手段が使用される。この手段は、分布の反転を生成し、それにより、放射の刺激放出によって光の増幅が創出される。このポンピング手段は、電子的、すなわち、活性領域11を通して電流を供給する電気接触子に印加された電圧であることが好ましい。電子ポンピングを使用したとき、いくつかの既知の技術のいずれかによって、図2に示すように、適切な電気接触子25を半導体ジグザグレーザ10上に製造する、またはそれに接続することが可能である。電気接触子25によって供給されるバイアスは、直流または交流とすることが可能である。電子ポンピングが好ましいが、たとえばフラッシュランプまたはレーザダイオードによる光学ポンピング手段による活性領域11の光学ポンピングも、本発明の範囲内にある。
【0027】
半導体ジグザグレーザおよび光増幅器の光結合の多くの手段は、本発明の範囲内にあり、プリズム結合および消散波結合を含むが、これに限定されるものではない。消散波結合では、ジグザグ構造(「第1構造」)を含むことが可能である第1レンズ、プリズム、または他の導波路構造が、第2レンズ、プリズム、または他の導波構(「第2構造」)から数波長または波長の断片の範囲内に配置され、それにより、2つの構造間にギャップが創出される。第1構造内の電磁場は、第2構造に結合され、消散場すなわち消散波結合によってギャップと交差する。消散波結合を使用して、図7に示し、かつ以下でより詳細に記述するように、半導体ジグザグレーザ10の出力ビーム1を変調することが可能である。
【0028】
引き続き図1を参照すると、入力プリズム15aおよび出力プリズム15bは、性能を向上させるために、反射防止膜でコーティングすることが可能である。プリズムを光結合に使用するとき、プリズムの材料は、プリズムが結合される層の材料の屈折率に厳密に整合するように選択される。プリズムを光結合に使用するとき、プリズム15a、15bは、クラッディング層12、13の一方または両方と接触して配置されて、構造18における損失を最小限に抑えるようにすることが好ましい。構造18は、第1クラッディング層12と第2クラッディング層13との間に位置する半導体活性領域11と、ジグザグ光学軸を介して光通信している第1ファセット30および第2ファセット31とを含む。
【0029】
図2には、光増幅器10の他の実施形態が示されている。第1電気接触子25が、既知の技術により、基板14と接触して形成される。活性領域11と、第1クラッディング層12と、第2クラッディング層13と、基板14とは、図1の実施形態に関して上記で記述したように構築される。しかし、図2に示すように、二酸化ケイ素(SiO2)で作成された保護層19を、低温MOCVDなどの既知の技術により、第2クラッディング層13の上に付着させることが可能である。保護層19は、第2クラッディング層13に対する損傷を防止し、インジウムリン(InP)を含む合金システムを使用する本発明の実施形態では好ましい。半導体の製造において使用される材料のいずれかを使用することが可能であり、その例には二酸化ケイ素および窒化ケイ素(SiNx)が含まれるが、これに限定されるものではない。保護層19は、第2電気接触子16のために第2クラッディング層13を暴露させるようにパターン化される。フォトレジスト層を保護層19のパターンに加えることが可能である。第2電気接触子16の製造を完成するために、RFスパッタリングまたはDCマグネトロンスパッタリングなどの既知の技術により、導体材料を付着させることが可能である。インジウムリン(InP)基板を有する実施形態を含めてある実施形態では、第2保護層(図示せず)をも使用することが有利である可能性がある。
【0030】
図3を参照すると、傾斜ファセット30、31が光増幅器10に形成され、かつプリズムがアウト結合に使用されない光増幅器10が示されている。光増幅器10は、第1傾斜ファセット30および第2傾斜ファセット31を有して形成される。好ましい実施形態では、第1傾斜ファセット30および第2傾斜ファセット31は、劈開によって形成される。また、図3には、増幅自然放出断絶(「ASE断絶」)17も示されている。これは、活性領域11における領域であり、低減された増幅特性を有し、かつ光増幅器10の製造中に形成される。これらのASE断絶17は、電磁場がゼロの振幅を有する活性領域11の領域における増幅自然放出を防止する、または弱めるために、活性領域11に存在することが可能である。ゼロの振幅は、光増幅器10の縦軸に対して横方向の電磁場に定常波が存在することにより生じる可能性がある。このように実施することにより、光増幅器10の効率が増大する。図3では、ジグザグ構造18は、境界面12aおよび13aによって画定される。
【0031】
ここで図4を参照すると、本発明の実施形態による信号生成装置10の側面図が示されている。屈折率識別層21が、第1クラッディング層12と基板14との間に示されている。上記でより詳細に説明したように、屈折率識別層21は、ジグザグ構造18とジグザグ構造18の外部の領域との屈折率の差を変更し、それによりTIR臨界角度を変更することによって、レーザ10の特定の実施形態の設計プロセスを容易にすることが可能である。図示したように、出力ビーム1は、劈開ファセット31を通って伝播する。他の実施形態では、出力手段として、プリズムまたは他の適切な光学構成要素をファセット31の代用とすることが可能である。図4では、光共振器20は、部分反射率コーティングを有し、かつ第1ミラーとして作用する傾斜ファセット31と、第2クラッディング/空気境界面13aの部分と共にルーフプリズムまたは第2ミラーとして作用する劈開端部ファセット35とによって画定される。ジグザグ構造18は、面12aおよび13aによって画定される。
【0032】
さらに図4を参照すると、屈折率識別層21は、屈折率すなわち屈折率識別のステップを提供し、これにより、屈折率識別層/クラッディング層境界面におけるTIRの所望の角度を容易にすることが可能である。この境界面におけるTIRの角度は、必ずしも、外部クラッディング層/空気または保護層境界面の角度と同一とは限らない可能性がある。TIRの角度が同一ではない場合、信号生成装置10は、ある程度非対称平面導波管として作用する。屈折率識別層21の材料は、本明細書において記述する半導体の材料または他の半導体ではない材料とすることが可能である。半導体ジグザグレーザ10は、ビームの横方向閉込めに役立つように、当技術分野において既知の有利な導波路(図示せず)を含むことが可能である。そのような導波路は、被覆メサ埋込みヘテロ構造を含めて埋込み導波路を含むが、これに限定されるものではない。以上は事実であるが、半導体ジグザグレーザが多重横モードを有するように、やはり本発明の範囲内にあり、この場合、WDM光学システムおよび時間分割多重化(「TDM」)光学システムの両方について、多重出力チャネルを実現することができる。
【0033】
ジグザグ構造と、具体的には屈折率識別層であるその外部の領域との屈折率の差の最小値は、ジグザグ構造の利用可能な長さを考慮に入れることによって計算することが可能であり、この長さは、製造プロセスおよび構築プロセスと、ジグザグ構造内におけるビームの反射または「はね返り」の所望の数と、結果的なTIR臨界角度とに依存する可能性がある。TIR臨界角θcは、以下の式から決定することが可能である。
【0034】
[1] θc=sin-1(n2/n1)
上式で、n1は、境界付近のジグザグ構造の屈折率であり、n2は、ジグザグ構造のすぐ外側の屈折率である。ジグザグ構造の長さは、ジグザグ光学軸に沿った望ましい数のはね返りと関連する臨界角θcと、ジグザグ構造の高さとを考慮に入れることによって設計することが可能である。θcは、ビームがジグザグ構造の内部に包含される臨界角を確定する。好ましい実施形態では、はね返りの数は、4と100との間であり、ジグザグ構造の高さは、100ミクロンの程度である。
【0035】
ここで図4〜6を参照すると、活性領域11は、1つまたは複数のモード利得断絶領域またはASE断絶17をも含むことが可能である。以前に記述したように、これらのASE断絶17は、存在するとき、電磁場が1つまたは複数の所望の周波数においてゼロの振幅を有する活性領域11の部分における自然放出を低減することによって、半導体ジグザグレーザ10の効率を増大させるのに役立つ。これらのASE断絶17は、ジグザグ構造18または光共振器20の縦方向モードにおけるレージングを防止または弱めるのに役立つ可能性もある。当技術分野で既知のさまざまな技術を使用して、活性領域11においてASE断絶17を実施することが可能である。そのような技術には、活性領域11の選択領域のエッチング、活性領域11の選択領域の酸化、および活性領域11の選択領域の光子ボンバードメントが含まれるが、これに限定されるものではない。一般に、処理のために選択される領域は、活性領域11の縦軸またはエピタキシャル軸または主軸に対して横方向のストリップである。ASE断絶17は、半導体ジグザグレーザ10の動作モードを選択するように、他の配向で製造することが有利である可能性がある。
【0036】
ここで図5を参照すると、図4と同様の信号生成装置10が、光結合の代替構成で示されている。プリズム32に結合された最大反射器33は、信号生成装置10の一端に結合され、一方、他端では、部分反射率出力結合器プリズム34が、信号生成装置10に結合される。
図6には、信号生成装置10の光結合の代替構成が示されている。コーナキューブプリズム35が、信号生成装置10の一端に結合されて示されており、一方、他端では、部分反射率出力結合装置プリズム34が、信号生成装置10に結合される。
【0037】
図7を参照すると、圧電要素28が、信号生成装置10に比較的接近して、すなわち波長の断片の範囲内に配置されたプリズム55に接続される好ましい実施形態が示されている。圧電要素28は、印加された変調電圧に応答して形状を変化させ、それにより、プリズム55を消散波結合により信号生成装置10に存在する電場に結合する。この結合は、光共振器20内に貯蔵されたエネルギーをどの程度迅速に失うかに影響を与え、光共振器20の質Qと呼ぶことがある。消散波結合は、出力ビーム1を効果的に「遮断する」、すなわち、2進オン−オフ方式で出力ビーム1を変調する。このようにして、信号生成装置10の出力ビーム1は、変調電圧を圧電要素28に印加することによって、Q切り替えされるなど、変調される。これの1つの利点は、出力ビーム1を変調するために、図7に示すビーム経路においてポッケルスセル、カーセルなどの光学要素を必要とせず、したがって、ビーム1の変調が、光学要素の透過特性によって妨害されないことである。その結果、半導体ジグザグレーザでのビーム変調は、比較的迅速である可能性がある。半導体ジグザグレーザ10が信号生成装置または光増幅器として使用されるかに関わらず、圧電要素28または他の変調手段を使用することが可能である。
【0038】
半導体ジグザグレーザ10の出力ビーム1は、当然、カーセル、ポッケルスセル、およびマッハ−ツェンダー干渉計などであるがこれに限定されない他の信号変調装置に結合して、それによって変調することができる。マッハ−ツェンダー干渉計などのさまざまなタイプの信号変調装置は、半導体ジグザグレーザ10と同じ基板14の上に集積することが可能である。本明細書における「変調」という言及は、振幅、強度、偏光、位相、および周波数などを含む光信号のあらゆる特性の変調を含む。
【0039】
図8は、銅から作成することが可能である冷却スラブ40の上に取り付けられた3つの信号生成装置10を示す。冷却スラブ40を含むこの構成は、信号生成装置10の動作により構築された熱を効果的に散逸させる。伝熱を実施するために、当技術分野で既知の他の熱散逸手段を使用することもできる。
本発明の他の実施形態は、複数の活性領域を有するジグザグ構造を含む。複数活性領域は、互いに、また基板の面に関して、平行に層状化することが可能である。レーザビームがジグザグ構造の境界面またはTIR面において反射されたとき、定常波が生成される可能性がある。これらの定常波は、光の異なる波長について異なる位置に存在する。複数活性領域は、異なる波長の信号を効率的に増幅するために、ジグザグ構造の異なる高さにおいて、より具体的にはジグザグ構造を横切る異なる距離において、配置/製造することができる。複数活性領域は、好ましい実施形態では、それぞれ、異なる直接ギャップ半導体材料で作成することが可能である。このようにして、本発明のさまざまな実施形態は、単一の光ファイバによってそれぞれ波長が異なる複数の搬送波信号を有する信号を搬送する波長分割多重化(WDM)システムおよび高密度波長分割多重化(DWDM)システムにおいて使用するのによく適している。
【0040】
本発明の他の特徴により、WDMシステムにおいて使用するのにさらによく適するようになる。これらの特徴は、ジグザグ構造内においてジグザグビーム経路を含む。光学材料の屈折率が、とりわけ波長の関数であるので、異なる波長の光子は、異なる反射角を有し、したがって、材料内において異なる経路を有する。その結果、本発明による装置は、異なる波長の光信号を分散させるように作用することが可能である。したがって、本発明の光学増幅器は、それを複数の出力面を有する出力プリズム、または上に形成された回折格子を有するプリズムに結合することによって、WDMシステムのマルチプレクサまたはデマルチプレクサとして特によく適している。同様に、1つまたは複数の回折格子を、プリズムが光結合には使用されていない、利得領域の傾斜面の上にパターン化することが可能である。光増幅器を使用するWDMシステムの個々の波長チャネルで実現される分散の量は、その例を本明細書において記述しており、ジグザグ構造の長さ、または結合に使用されるプリズムの寸法あるいは角度、あるいはその両方の組合せによって選択することが可能である。
【0041】
本発明の実施形態によるデマルチプレクサは、ジグザグ構造と光通信している光ファイバなどの光入力チャネルと、ジグザグ構造と光通信している光ファイバなどの複数の光出力チャネルとを含むことが可能である。本発明によるマルチプレクサは、ジグザグ構造と光通信している光ファイバなどの複数の光入力チャネルと、ジグザグ構造と光通信している光ファイバなどの光出力チャネルとを含むことが可能である。本発明のマルチプレクサまたはデマルチプレクサの実施形態は、信号を多重化または逆多重化する際に、光信号を増幅することができるという利点を提供する。
【0042】
本発明の実施形態は、ビームのサイズが、レージング媒質の高さとはほぼ無関係である半導体ジグザグ構造設計によって、高度なスケーラビリティおよび高度な集積可能性の特徴を提供する。ジグザグ構造内では、光は、鋸歯またはジグザグ経路の光学軸に沿って進行する。ジグザグ経路は、ジグザグ構造の材料と、そのすぐ外側の材料または領域との屈折率の差の結果である。この屈折率の差により、全内部反射(TIR)が生成され、このために、複雑なまたはコストのかかる帰還構造は必要ではない。ジグザグ構造は、光がジグザグ構造を出る、またはジグザグ構造に入る、あるいは入ることと出ることとの両方を可能にする1つまたは複数の傾斜ファセットと光通信している。ミラーが、光学軸の対向端部かつジグザグ構造の外部に配置されたとき、共振器と、したがってレーザとが実現される。半導体レーザおよび光増幅器は、有益なアスペクト比を有する出力ビームを提供し、これにより、光ファイバへの結合を改善することが可能になる。活性領域の材料を適切に選択し、かつジグザグ構造の寸法を適切に選択することによって、所望の光波長の光子を放出するように、半導体ジグザグレーザを設計することができる。
【0043】
本発明の範囲内において、当然、以上に関する変更を実施することができる。たとえば、本発明の装置は、より高度な利得を生成するように、より長くスケーリングすることができる。ある実施形態では、活性領域は、基板の上に直接成長させることが可能であり、この場合、基板自体を第1クラッディング層の代用とすることが可能である。他の実施形態では、電気接触子を、ジグザグ半導体レーザの端部など、半導体ジグザグレーザ上の異なる位置に配置することができる。電気接触子の位置決めが、活性領域を流れる電流に備える限り、電気接触子について多くの位置が可能である。
【0044】
他の例として、本発明は、長距離光ファイバネットワークの光再生成装置においてなど、エルビウムドープファイバ増幅器が現在使用されている状況において、置き換わるものとして役立つ可能性もある。
以上の記述は、例示であり、本発明の範囲に関する限定ではないことが理解されるであろう。本発明の範囲から逸脱せずに、多くの修正および変更を実施することができることがさらに理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0045】
【図1】本発明の一実施形態による、反射防止膜を有するプリズム結合を使用する光増幅器の側面図かつ断面図である。
【図2】本発明の一実施形態による、反射防止膜を有するプリズム結合を使用する光増幅器の側面図かつ断面図である。
【図3】本発明の他の実施形態による、劈開ファセット結合を有する光増幅器の断面図である。
【図4】最大反射器ミラーを一端に有し、部分反射率出力結合器を他端に有する信号生成装置の断面図である。
【図5】本発明の代替実施形態による、最大反射器ミラーと併用されるプリズム結合を有する信号生成装置の断面図である。
【図6】本発明の代替実施形態による、コーナキューブプリズムおよびプリズムアウト結合を有する信号生成装置を示す図である。
【図7】本発明の他の実施形態による、信号生成装置と、信号生成装置の出力を変調するために使用される圧電装置とを有する変調システムを示す図である。
【図8】本発明の一実施形態による、3つの信号生成装置を冷却する冷却システムを示す図である。
Claims (64)
- ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造であって、前記ジグザグ光学軸と交差する第1ファセットおよび前記ジグザグ光学軸と交差する第2ファセットと光通信し、第1クラッディング層および第2クラッディング層を有するジグザグ構造と、
前記第1クラッディング層と前記第2クラッディング層との間に位置する第1活性領域と、
前記第1活性領域において分布の反転を提供するポンピング手段とを備えることを特徴とする半導体ジグザグ光増幅器。 - 前記第1クラッディング層および前記第2クラッディング層が、それぞれ、前記ジグザグ構造のすぐ外側の領域より大きい屈折率を有し、入力信号が、前記ジグザグ構造内において前記ジグザグ光学軸に沿ってジグザグ経路を進行して、前記第1活性領域によって増幅されることを特徴とする請求項1に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
- 前記第1ファセットおよび前記第2ファセットが、それぞれ、前記第1クラッディング層に隣接して配置された第1プリズムと、前記第1クラッディング層または前記第2クラッディング層に隣接して配置された第2プリズムとの一部であることを特徴とする請求項1に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
- 前記第1ファセットおよび前記第2ファセットが、それぞれ、前記第1クラッディング層または前記第2クラッディング層の一部を横断して形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
- 前記第1ファセットが、前記第1クラッディング層または前記第2クラッディング層の一方に隣接して配置された第1プリズムの一部であり、前記傾斜ファセットが、前記第1クラッディング層または前記第2クラッディング層の一部を横断して形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
- 前記第1活性領域が、前記半導体活性領域の縦軸に沿って位置する増幅自然放出断絶を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
- 基板をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
- 前記基板が、InP、GaN、およびGaAsからなる群から選択されることを特徴とする請求項7に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
- 前記第1活性領域が、直接ギャップ半導体で作成されたヘテロ構造を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
- 前記第1活性領域が、直接ギャップ半導体で作成されたダブルへテロ構造を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
- 前記第1活性領域が、量子井戸を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
- 前記量子井戸が、GaAsおよびAlGaAsから作成されることを特徴とする請求項11に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
- 前記量子井戸が、InPおよびInGaAsPから作成されることを特徴とする請求項11に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
- 前記第1活性領域が、1つまたは複数の多重量子井戸を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
- 前記1つまたは複数の多重量子井戸が、InPおよびInGaAsPから作成されることを特徴とする請求項14に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
- 前記1つまたは複数の多重量子井戸が、GaAsおよびAlGaAsから作成されることを特徴とする請求項14に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
- 前記1つまたは複数の多重量子井戸が、Zn、Be、Mg、およびCからなる群から選択されたドーパントでドープされることを特徴とする請求項14に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
- 前記第1活性領域が、1つまたは複数の量子細線を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
- 前記第1ファセットおよび前記第2ファセットが、前記ジグザグ光学軸に関して互いに平行であることを特徴とする請求項1に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
- 前記第1プリズムが、複数の出力面を有し、前記複数の出力面のそれぞれが、異なる波長を有する複数の光信号の1つを送信するように傾斜していることを特徴とする請求項3に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
- 前記第1プリズムが、その表面上に形成された回折格子を有することを特徴とする請求項3に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
- 利得領域内に位置する第2活性領域をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
- 前記第2活性領域が、前記第1活性領域に平行であることを特徴とする請求項22に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
- 前記第1活性領域に平行に位置する複数の活性領域をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
- 前記複数の活性領域のそれぞれが、異なる直接ギャップ半導体で作成されることを特徴とする請求項24に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
- ジグザグ光学軸と交差する第1ファセットおよびジグザグ光学軸と交差する第2ファセットと光通信するジグザグ光学軸を有し、第1クラッディング層および第2クラッディング層を有するジグザグ構造であって、該ジグザグ構造のすぐ外側の領域より大きい屈折率を前記第1クラッディング層および前記第2クラッディング層において有するジグザグ構造と、
前記第1クラッディング層と前記第2クラッディング層との間に位置する第1活性領域と、
前記ジグザグ構造に接続され、前記第1活性領域において分布の反転を提供するために、前記第1活性領域にポンプ電流を提供するように動作可能である電流源とを備えることを特徴とする半導体ジグザグ光増幅器。 - 入力信号が、前記ジグザグ光学軸に沿って前記ジグザグ構造内においてジグザグ経路を進行し、かつ前記第1活性領域によって増幅されることを特徴とする請求項26に記載の半導体ジグザグ光増幅器。
- ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造を含む光共振器であって、前記ジグザグ構造が、前記ジグザグ光学軸と交差する第1ファセットと光通信し、前記ジグザグ構造が、前記ジグザグ光学軸と交差する第2ファセットと通信し、前記ジグザグ構造が、第1クラッディング層および第2クラッディング層を有し、前記第1ファセットが、第1反射率を有する第1ミラーを有し、前記第2ファセットが、第2反射率を有する第2ミラーを有し、前記第1反射率が、前記第2反射率に等しくなく、前記第1ミラーが、前記ジグザグ光学軸に関して前記第2ミラーと平行である光共振器と、
前記第1クラッディング層と前記第2クラッディング層との間に位置する第1半導体活性領域と、
前記第1半導体活性領域において分布の反転を提供するポンピング手段とを備えることを特徴とする半導体ジグザグレーザ。 - 前記第1クラッディング層および前記第2クラッディング層が、それぞれ、前記ジグザグ構造のすぐ外側の領域より大きい屈折率を有し、入力信号が、前記ジグザグ構造内においてジグザグ経路を進行して、前記第1半導体活性領域によって増幅されることを特徴とする請求項28に記載の半導体ジグザグレーザ。
- 前記第1ファセットが、前記第1クラッディング層または前記第2クラッディング層の一方に隣接して配置されたプリズムによって提供されることを特徴とする請求項28に記載の半導体ジグザグレーザ。
- 前記第1ファセットが、前記第1クラッディング層または前記第2クラッディング層の一部を横断して形成されることを特徴とする請求項28に記載の半導体ジグザグレーザ。
- 前記第1半導体活性領域が、前記第1半導体活性領域の縦軸に沿って位置する増幅自然放出断絶を含むことを特徴とする請求項28に記載の半導体ジグザグレーザ。
- 基板をさらに含むことを特徴とする請求項28に記載の半導体ジグザグレーザ。
- 前記基板が、InPおよびGaAsからなる群から選択されることを特徴とする請求項33に記載の半導体ジグザグレーザ。
- 前記第1活性領域が、直接ギャップ半導体で作成されたヘテロ構造を含むことを特徴とする請求項28に記載の半導体ジグザグレーザ。
- 前記第1活性領域が、直接ギャップ半導体で作成されたダブルへテロ構造を含むことを特徴とする請求項28に記載の半導体ジグザグレーザ。
- 前記第1活性領域が、量子井戸を含むことを特徴とする請求項28に記載の半導体ジグザグレーザ。
- 前記量子井戸が、GaAsおよびAlGaAsから作成されることを特徴とする請求項37に記載の半導体ジグザグレーザ。
- 前記量子井戸が、InPおよびInGaAsPから作成されることを特徴とする請求項37に記載の半導体ジグザグレーザ。
- 前記第1活性領域が、1つまたは複数の多重量子井戸を含むことを特徴とする請求項28に記載の半導体ジグザグレーザ。
- 前記1つまたは複数の多重量子井戸が、InPおよびInGaAsPから作成されることを特徴とする請求項40に記載の半導体ジグザグレーザ。
- 前記1つまたは複数の多重量子井戸が、GaAsおよびAlGaAsから作成される
ことを特徴とする請求項40に記載の半導体ジグザグレーザ。 - 前記1つまたは複数の量子井戸が、Zn、Be、Mg、およびCからなる群から選択されたドーパントでドープされることを特徴とする請求項40に記載の半導体ジグザグレーザ。
- 前記第1活性領域が、1つまたは複数の量子細線を含むことを特徴とする請求項28に記載の半導体ジグザグレーザ。
- 前記第1活性領域が、1つまたは複数の量子点を含むことを特徴とする請求項28に記載の半導体ジグザグレーザ。
- 前記基板が、前記第1クラッディング層または前記第2クラッディング層に隣接することを特徴とする請求項33に記載の半導体ジグザグレーザ。
- ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造を含む光共振器であって、前記ジグザグ構造が、前記ジグザグ光学軸と交差する第1ファセットと光通信し、前記ジグザグ構造が、前記ジグザグ光学軸と交差する第2ファセットと通信し、前記ジグザグ構造が、第1クラッディング層および第2クラッディング層を有し、前記第1ファセットが、第1反射率を有する第1ミラーを有し、前記第2ファセットが、第2反射率を有する第2ミラーを有し、前記第1反射率が、前記第2反射率を等しくなく、前記第1ミラーが、前記ジグザグ光学軸に関して前記第2ミラーと平行である光共振器と、
前記第1クラッディング層と前記第2クラッディング層との間に位置する第1半導体活性領域と、
前記第1半導体活性領域において分布の反転を提供するための前記ジグザグ構造に接続された電流源とを備えることを特徴とする半導体ジグザグレーザ。 - ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造を含む光共振器であって、前記ジグザグ構造が、前記ジグザグ光学軸と交差する第1ファセットと光通信し、前記ジグザグ構造が、前記ジグザグ光学軸と交差する第2ファセットと通信し、前記ジグザグ構造が、第1クラッディング層および第2クラッディング層を有し、前記第1ファセットが、第1反射率を有する第1ミラーを有し、前記第2ファセットが、第2反射率を有する第2ミラーを有し、前記第1反射率が、前記第2反射率に等しくなく、前記第1ミラーが、前記ジグザグ光学軸に関して前記第2ミラーと平行である光共振器と、
前記第1クラッディング層および前記第2クラッディング層との間に位置する第1活性領域と、
前記第1活性領域において分布の反転を提供するポンピング手段と、
前記光共振器と光通信する信号変調器と、
変調された光出力信号とを備えることを特徴とする光変調システム。 - 前記第1クラッディング層および前記第2クラッディング層が、それぞれ、前記ジグザグ構造のすぐ外側の領域より大きい屈折率を有し、入力信号が、前記ジグザグ構造内においてジグザグ経路を進行し、かつ前記第1半導体活性領域によって増幅されることを特徴とする請求項48に記載の光変調システム。
- 前記信号変調器が、前記光共振器の外部にあることを特徴とする請求項48に記載の光変調システム。
- 前記第1クラッディング層に隣接して配置された基板をさらに含むことを特徴とする請求項48に記載の光変調システム。
- 前記信号変調器が、圧電要素を含むことを特徴とする請求項48に記載の光変調システム。
- 前記信号変調器が、前記圧電要素に隣接して配置されたプリズムをさらに含むことを特徴とする請求項52に記載の光変調システム。
- 前記信号変調器が、ポッケルスセル、カーセル、およびマッハ−ツェンダー干渉計からなる群から選択されることを特徴とする請求項48に記載の光変調システム。
- 前記信号変調器が、前記基板の上に配置されることを特徴とする請求項51に記載の光変調システム。
- 前記信号変調器が、マッハ−ツェンダー干渉計であることを特徴とする請求項55に記載の光変調システム。
- ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造を含む光共振器であって、前記ジグザグ構造が、前記ジグザグ光学軸と交差する第1ファセットと光通信し、前記ジグザグ構造が、前記ジグザグ光学軸と交差する第2ファセットと通信し、前記ジグザグ構造が、第1クラッディング層および第2クラッディング層を有し、前記第1ファセットが、それに隣接して第1反射率を有する第1ミラーを有し、前記第2ファセットが、それに隣接して第2反射率を有する第2ミラーを有し、前記第1反射率が、前記第2反射率と等しくなく、前記第1ミラーが、前記ジグザグ光学軸に関して前記第2ミラーと平行である光共振器と、
前記第1クラッディング層と前記第2クラッディング層との間に位置する第1活性領域であって、入力信号が、前記ジグザグ構造内においてジグザグ経路を進行し、かつ第1半導体活性領域によって増幅される第1活性領域と、
前記ジグザグ構造に接続され、かつ前記第1活性領域において分布の反転を提供する電流源と、
前記ジグザグ構造と光通信する信号変調器と、
変調された光出力信号とを備えることを特徴とする光変調システム。 - 半導体ジグザグ信号生成装置から信号を生成するステップと、
前記信号を光変調器で変調するステップとを含むことを特徴とする光信号を変調する方法。 - 前記信号を変調する前記ステップが、前記信号をほぼゼロの振幅の状態から最大振幅の状態に変調することをさらに含むことを特徴とする請求項58に記載の光信号を変調する方法。
- 波長分割多重化を使用する通信システムにおいて使用する半導体ジグザグ逆多重化システムであって、
ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造であって、前記ジグザグ光学軸と交差する第1ファセットおよび前記ジグザグ光学軸と交差する第2ファセットと光通信し、半導体利得領域が、第1クラッディング層および第2クラッディング層を有するジグザグ構造と、
前記第1クラッディング層と前記第2クラッディング層との間に位置する第1半導体活性領域と、
前記第1半導体活性領域において分布の反転を提供するための前記光共振器に接続された電流源と、
前記第1ファセットと光通信する入力光ファイバであって、光ファイバが、それぞれ周波数が異なる複数の別々の搬送波信号を含む入力信号を搬送し、前記複数の別々の搬送波信号のそれぞれが、利得領域内において別々のジグザグ経路を進行し、かつ前記第1半導体活性領域によって増幅される入力光ファイバと、
前記第2ファセットと光通信する複数の出力光ファイバであって、それぞれが、前記複数の別々の搬送波信号の1つを出力する複数の出力光ファイバとを備えることを特徴とする半導体ジグザグ逆多重化システム。 - 波長分割多重化を使用する通信システムにおいて使用する半導体ジグザグ多重化システムであって、
ジグザグ光学軸を有するジグザグ構造であって、前記ジグザグ光学軸と交差する第1ファセットおよび前記ジグザグ光学軸と交差する第2ファセットと光通信し、半導体利得領域が、第1クラッディング層および第2クラッディング層を有するジグザグ構造と、
前記第1クラッディング層と前記第2クラッディング層との間に位置する第1半導体活性領域と、
前記第1半導体活性領域において分布の反転を提供する前記ジグザグ構造に接続された電流源と、
前記第1ファセットと光通信する複数の入力光ファイバであって、複数の入力光ファイバのそれぞれが、異なる周波数の入力搬送波信号を搬送するように動作可能であり、各別々の搬送波信号が、利得領域内において別々のジグザグ経路を進行し、かつ前記第1半導体活性領域によって増幅される複数の入力光ファイバと、
前記第2ファセットと光通信する出力光ファイバであって、そのように増幅された各別々の搬送波信号が、出力光ファイバに入る出力光ファイバとを備えることを特徴とする半導体ジグザグ多重化システム。 - 第1クラッディング層と第2クラッディング層との間の活性領域と、
ジグザグ光学軸を介して光通信する第1ファセットおよび第2ファセットとを備え、
前記ジグザグ光学軸が、前記第1クラッディングと、前記活性領域と、前記第2クラッディング層とを通過することを特徴とする半導体レーザ。 - 第1クラッディング層と第2クラッディング層との間の少なくとも1つの活性領域と、
ジグザグ光学軸に沿って第2ファセットと光通信する第1ファセットとを備え、前記ジグザグ光学軸が、前記第1クラッディング層と、前記少なくとも1つの活性領域と、前記第2クラッディング層とを通過することを特徴とする半導体レーザ。 - 第1クラッディング層と第2クラッディング層との間の少なくとも1つの活性領域と、
半導体レーザが給電されたとき、ジグザグ光学軸が、第1ファセットから前記少なくとも1つの活性領域を経て第2ファセットまで創出されるように、第2ファセットと光通信する第1ファセットとを備えることを特徴とする半導体レーザ。
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