JP2005191074A - Rare earth element-added semiconductor optical amplifier and optical switch - Google Patents

Rare earth element-added semiconductor optical amplifier and optical switch Download PDF

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Michiharu Ota
道春 太田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rare earth element-added semiconductor optical amplifier which can be used to amplify a femtosecond laser and which can amplify an ultrashort pulse. <P>SOLUTION: The rare earth element-added semiconductor optical amplifier includes a rare earth element-added semiconductor optical waveguide 1, and electrodes 2, 2 for applying a voltage to the semiconductor optical waveguide 1, thereby moving the charge injected in the semiconductor waveguide 1 by applying the voltage to the rare earth element to excite to amplify a signal light propagating through the semiconductor waveguide 1. Since an amplifying band width is determined according to the energy level of the rare earth element, the amplifying band width is wide and the optical amplifier can amplify even the femtosecond laser beam having wide spectral band width. Since the waveguide can be thickened, the ultrashort pulse can be amplified. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

レーザーは、情報通信、計測、医療、加工など幅広い技術分野で応用されているが、その場合、レーザーから発生されるレーザー光を増幅したりスイッチングしたりする必要がある。光増幅器としては、希土類元素添加ファイバー増幅器や半導体増幅器が知られている。また光スイッチとしては、非線形光学結晶や半導体を用いたものが知られている。本発明は、半導体光増幅器と半導体光スイッチに関する。   Lasers are applied in a wide range of technical fields such as information communication, measurement, medical care, and processing. In that case, it is necessary to amplify or switch laser light generated from the laser. As optical amplifiers, rare earth element doped fiber amplifiers and semiconductor amplifiers are known. As an optical switch, one using a nonlinear optical crystal or a semiconductor is known. The present invention relates to a semiconductor optical amplifier and a semiconductor optical switch.

半導体光増幅器としては様々な半導体を用いた増幅器が知られている。例えば、1.5μm帯の増幅器としては、化合物半導体(InGaAsP)を用いた増幅器が知られている(例えば、特許文献1参照)。また、従来の半導体増幅器では信号光パルスが伝播する活性層(導波部)が薄く(〜1μm)、超短パルス光を増幅すると破壊するため信号光パルスのパワーが制限されていた。さらに、従来の半導体光増幅器では半導体のキャリア寿命が数nsecと非常に短く、パルスレーザーからの繰返しパルスの増幅には適していなかった。すなわち、キャリア寿命が短いために次のパルス(信号光パルス)が来る前に自然放出が起きてしまい、ASE(Amplified Stimulated Emission 増幅誘導放射)が発生してしまう。ASEが発生すると信号光パルスが短波長側に広がり、信号光パルスのスペクトルが劣化する。またスペクトル帯域幅が比較的広いフェムト秒レーザーを増幅しようとすると、
材料分散のためパルス幅が広がってしまう問題があった。
As semiconductor optical amplifiers, amplifiers using various semiconductors are known. For example, as a 1.5 μm band amplifier, an amplifier using a compound semiconductor (InGaAsP) is known (for example, see Patent Document 1). Further, in the conventional semiconductor amplifier, the active layer (waveguide portion) through which the signal light pulse propagates is thin (˜1 μm), and the power of the signal light pulse is limited because it is destroyed when the ultrashort pulse light is amplified. Furthermore, the conventional semiconductor optical amplifier has a very short carrier lifetime of several nanoseconds and is not suitable for the amplification of repetitive pulses from a pulse laser. That is, since the carrier lifetime is short, spontaneous emission occurs before the next pulse (signal light pulse) arrives, and ASE (Amplified Stimulated Emission) occurs. When ASE occurs, the signal light pulse spreads to the short wavelength side, and the spectrum of the signal light pulse deteriorates. When trying to amplify a femtosecond laser with a relatively wide spectral bandwidth,
There was a problem that the pulse width widened due to material dispersion.

一方、Erを添加した半導体活性層に電圧をかけると電荷移動が起きてErが発光する現象が知られている(例えば、非特許文献1参照)。
特開2002−372691号公報 Xinwei Zhao, et. al., Fabrication and stimulated emission of Er-doped nanocrystalline Si waveguides formed on Si substrates by laser ablation, Applied Physics letters,1999年1月4日,Vol.74, No.1, pp.120-122
On the other hand, it is known that when a voltage is applied to a semiconductor active layer to which Er is added, charge transfer occurs and Er emits light (for example, see Non-Patent Document 1).
JP 2002-372691 A Xinwei Zhao, et.al., Fabrication and stimulated emission of Er-doped nanocrystalline Si waveguides formed on Si substrates by laser ablation, Applied Physics letters, January 4, 1999, Vol. 74, No. 1, pp. 120- 122

上記の背景技術で触れたように、これまでの半導体光増幅器は、増幅帯域幅が狭くフェムト秒レーザーの増幅に使用できない、導波部が薄く超短パルスを増幅すると破壊し易い、キャリヤ寿命が短くスペクトルが劣化する、材料分散のためパルス幅が広がる、といった問題をもっていた。   As mentioned in the background art above, conventional semiconductor optical amplifiers have a narrow amplification bandwidth and cannot be used for amplification of femtosecond lasers. There were problems that the spectrum was short and the pulse width was widened due to material dispersion.

本発明は、かかる問題を解決するために創出されたものである。すなわち、本発明の目的は、フェムト秒レーザーの増幅にも使用でき、超短パルスの増幅ができる希土類元素添加半導体光増幅器を提供することである。本発明の別の目的は、スペクトルが劣化しない、パルス幅の広がるのを補償する希土類元素添加半導体光増幅器を提供することである。本発明のさらに別の目的は、希土類元素添加半導体光増幅器を用いた光スイッチを提供することである。   The present invention has been created to solve such problems. That is, an object of the present invention is to provide a rare earth element-doped semiconductor optical amplifier which can be used for amplification of a femtosecond laser and can amplify an ultrashort pulse. Another object of the present invention is to provide a rare earth element-doped semiconductor optical amplifier that compensates for the spread of the pulse width without degradation of the spectrum. Still another object of the present invention is to provide an optical switch using a rare earth element doped semiconductor optical amplifier.

この課題を解決するためになされた請求項1に係る発明は、希土類元素添加の半導体光導波部(活性層)と、該半導体光導波部に電圧を印加する電極と、を有し、該電圧印加により該半導体導波部に注入された電荷を該希土類元素に移動させて励起し該半導体導波部を伝搬する信号光を増幅することを特徴としている。   The invention according to claim 1 made to solve this problem includes a rare earth element-doped semiconductor optical waveguide (active layer) and an electrode for applying a voltage to the semiconductor optical waveguide. It is characterized in that the electric charge injected into the semiconductor waveguide by application is moved to the rare earth element and excited to amplify the signal light propagating through the semiconductor waveguide.

このような特徴を有する本発明の希土類元素添加半導体光増幅器は、増幅帯域幅が希土類元素のエネルギレベルで決まるため広く、スペクトル帯域幅の広いフェムト秒レーザー光でも増幅することができる。また、導波部を厚くできるので超短パルスの増幅も可能になる。   The rare earth element-doped semiconductor optical amplifier of the present invention having such characteristics is wide because the amplification bandwidth is determined by the energy level of the rare earth element, and can be amplified even by femtosecond laser light having a wide spectrum bandwidth. Further, since the waveguide portion can be made thick, it is possible to amplify ultrashort pulses.

請求項2に係る発明は、請求項1に記載する希土類元素添加半導体光増幅器であって、前記希土類元素がEr、Yb、Ndの内の少なくとも一つであることを特徴としている。   The invention according to claim 2 is the rare earth element-doped semiconductor optical amplifier according to claim 1, wherein the rare earth element is at least one of Er, Yb, and Nd.

豊富な1.5μm帯レーザー、1.0μm帯レーザー、1.06μm帯レーザーの少なくとも一つを増幅することができる。   At least one of abundant 1.5 μm band laser, 1.0 μm band laser, and 1.06 μm band laser can be amplified.

また、請求項3に係る発明は、請求項1及び2に記載する希土類元素添加半導体光増幅器であって、前記半導体光導波部は、波長分散を補償するチャープブラッグ格子を有することを特徴としている。   The invention according to claim 3 is the rare earth element-doped semiconductor optical amplifier according to claim 1 or 2, wherein the semiconductor optical waveguide section has a chirped Bragg grating that compensates for chromatic dispersion. .

信号光がスペクトル幅の広いパルス光でもパルス幅が広がることを防ぐことができる。   Even if the signal light is pulse light having a wide spectrum width, it is possible to prevent the pulse width from widening.

また、請求項4に係る発明は、請求項1ないし請求項3に記載の希土類元素添加半導体光増幅器であって、前記半導体光導波部は、前記信号光が伝搬する方向と直交する一対の端面を有し、該一対の端面の少なくとも一方は光の透過率を制御する透過率制御層を有することを特徴としている。   The invention according to claim 4 is the rare-earth-element-doped semiconductor optical amplifier according to claims 1 to 3, wherein the semiconductor optical waveguide section is a pair of end faces orthogonal to the direction in which the signal light propagates. And at least one of the pair of end faces has a transmittance control layer for controlling the transmittance of light.

透過率制御層を反射防止膜とすることで、端面での反射損失を少なくすることができる。一方の端面の透過率制御層を反射防止膜とし、他方の端面の透過率制御層を高反射膜とすることで、一方の端面から信号光を入射させ、半導体導波部をダブルパスさせより大きく増幅された信号光を出射させることができる。   By making the transmittance control layer an antireflection film, reflection loss at the end face can be reduced. The transmittance control layer on one end face is an antireflection film, and the transmittance control layer on the other end face is a high reflection film, so that signal light is incident from one end face and the semiconductor waveguide is double-passed to be larger. The amplified signal light can be emitted.

また、請求項5に係る発明は、請求項4に記載の希土類元素添加半導体光増幅器であって、前記一対の端面の内の前記信号光が出射する端面は、波長フィルタ層を有することを特徴としている。特に、波長フィルタ層は、半導体光導波部に入射される信号光よりも短い波長の光をカットするものである。   The invention according to claim 5 is the rare earth element-doped semiconductor optical amplifier according to claim 4, wherein the end face of the pair of end faces from which the signal light is emitted has a wavelength filter layer. It is said. In particular, the wavelength filter layer cuts light having a shorter wavelength than the signal light incident on the semiconductor optical waveguide.

ASEの発生で広がった短波長側をカットすることができる。   The short wavelength side that has spread due to the generation of ASE can be cut.

また、請求項6に係る発明は、請求項4又は5に記載の希土類元素添加半導体光増幅器であって、前記一対の端面の一方は、波長分散を補償するチャープミラー或いはチャープブラッグ格子を有することを特徴としている。   The invention according to claim 6 is the rare earth element-doped semiconductor optical amplifier according to claim 4 or 5, wherein one of the pair of end faces has a chirped mirror or a chirped Bragg grating that compensates for chromatic dispersion. It is characterized by.

他方の端面から信号光を入射させ、半導体導波部をダブルパスさせより大きく増幅された信号光を出射させることができると共に、信号光がスペクトル幅の広いパルス光でも分散でパルス幅が広がることを防ぐことができる。   Signal light can be incident from the other end face, and the semiconductor waveguide can be double-passed to emit more amplified signal light, and the pulse width can be widened by dispersion even if the signal light is pulse light with a wide spectral width. Can be prevented.

請求項7に係る発明は、請求項4及び5に記載の希土類元素添加半導体光増幅器であって、前記一対の端面の一方から所定の角度で信号光を入射させて、該信号光が該一対の端面間で多重反射して前記半導体導波部内をマルチパスするように構成することを特徴としている。   The invention according to claim 7 is the rare-earth-element-doped semiconductor optical amplifier according to claim 4 or 5, wherein the signal light is incident at a predetermined angle from one of the pair of end faces, and the signal light is The semiconductor waveguide portion is configured to be multi-reflected between the end faces of the semiconductor and to be multipathed.

信号光が導波部内をマルチパスするので、増幅率を高くすることができる。   Since the signal light multipaths in the waveguide section, the amplification factor can be increased.

請求項8に係る発明は、請求項4ないし7に記載の希土類元素添加半導体光増幅器であって、前記一対の端面の内の前記信号光が入射する端面は、該入射する信号光のパルス幅を伸張する伸張器を有することを特徴としている。   The invention according to claim 8 is the rare earth element-doped semiconductor optical amplifier according to any one of claims 4 to 7, wherein an end face of the pair of end faces on which the signal light is incident has a pulse width of the incident signal light. It is characterized by having a stretcher that stretches.

信号光パルスのパルス幅が伸張されるので、導波部で増幅されパワーが増大しても増幅器が損傷を受けることがない。   Since the pulse width of the signal light pulse is expanded, the amplifier is not damaged even if the power is increased by amplification in the waveguide section.

請求項9に係る発明は、請求項4ないし8に記載の希土類元素添加半導体光増幅器であって、前記一対の端面の内の前記信号光が出射する端面は、該出射する信号光のパルス幅を圧縮する圧縮器を有することを特徴としている。   The invention according to claim 9 is the rare earth element-doped semiconductor optical amplifier according to any one of claims 4 to 8, wherein an end face of the pair of end faces from which the signal light is emitted has a pulse width of the emitted signal light. It has the compressor which compresses.

出射する信号光パルスが圧縮されるので、導波部の材料分散で広がったパルス幅を元に戻すことができる。また、出射する信号光のパルス幅が圧縮されるので信号光パワーによる損傷を防ぐために入射する信号光のパルス幅を伸張させることができる。   Since the emitted signal light pulse is compressed, the pulse width spread by the material dispersion of the waveguide can be restored. Further, since the pulse width of the emitted signal light is compressed, the pulse width of the incident signal light can be extended in order to prevent damage due to the signal light power.

請求項10に係る発明は、請求項8或いは9に記載の希土類元素添加半導体光増幅器であって、前記伸張器及び前記圧縮器はチャープブラッグ格子であり、少なくとも一方はチャープ量可変型チャープブラッグ格子であることを特徴としている。   A tenth aspect of the present invention is the rare earth element-doped semiconductor optical amplifier according to the eighth or ninth aspect, wherein the stretcher and the compressor are chirp Bragg gratings, and at least one of them is a chirp amount variable type chirp Bragg grating. It is characterized by being.

チャープ量を変えることで信号光のパルス幅を任意に変更することができる。   The pulse width of the signal light can be arbitrarily changed by changing the chirp amount.

請求項11に係る発明は希土類元素添加半導体光スイッチであって、希土類元素添加の半導体光導波部と、該半導体光導波部に電圧を印加する電極と、該電圧をON-OFF制御する電圧制御手段と、を有し、該電圧制御手段ONにより該半導体光導波部に注入された電荷を該希土類元素に移動させて励起し該半導体光導波部を伝搬する信号光を増幅し、該電圧制御手段OFFにより該導波部を伝搬する信号光を吸収することを特徴としている。   The invention according to claim 11 is a rare earth element-added semiconductor optical switch, a rare earth element-added semiconductor optical waveguide section, an electrode for applying a voltage to the semiconductor optical waveguide section, and a voltage control for ON-OFF controlling the voltage. And amplifying the signal light propagating through the semiconductor optical waveguide by moving the electric charge injected into the semiconductor optical waveguide by the voltage control means ON to the rare earth element, and controlling the voltage. The signal light propagating through the waveguide is absorbed by the means OFF.

電圧制御手段をON、OFFすることにより信号光をON、OFFすることができる。   The signal light can be turned on and off by turning on and off the voltage control means.

本発明の半導体光増幅器は、増幅帯域幅が希土類元素のエネルギレベルで決まるため広く、スペクトル帯域幅の広いフェムト秒レーザー光でも増幅することができる。   The semiconductor optical amplifier of the present invention is wide because the amplification bandwidth is determined by the energy level of the rare earth element, and can be amplified even by femtosecond laser light having a wide spectrum bandwidth.

また、本発明の半導体光増幅器の導波部は、波長分散を補償するチャープブラッグ格子を有するようにすることで、信号光がパルス光でもパルス幅が広がることを防ぐことができる。   Further, the waveguide portion of the semiconductor optical amplifier of the present invention has a chirped Bragg grating that compensates for chromatic dispersion, thereby preventing the pulse width from being widened even if the signal light is pulsed light.

さらに、本発明の半導体光増幅器の光導波部は、信号光が伝搬する方向と直交する一対の端面を有し、少なくとも一方の端面は光の透過率を制御する透過率制御層を有し、透過率制御層を反射防止膜とすることで、端面での反射損失を少なくすることができる。一方の端面の透過率制御層を反射防止膜とし、他方の端面を高反射膜とすることで、一方の端面から信号光を入射させ増幅された信号光を出射させることことができ、増幅率を2倍にすることができる。   Furthermore, the optical waveguide part of the semiconductor optical amplifier of the present invention has a pair of end faces orthogonal to the direction in which the signal light propagates, and at least one end face has a transmittance control layer for controlling the light transmittance, By making the transmittance control layer an antireflection film, reflection loss at the end face can be reduced. By setting the transmittance control layer on one end face as an antireflection film and the other end face as a highly reflective film, signal light can be incident from one end face and emitted amplified signal light can be emitted. Can be doubled.

本発明の半導体光増幅器の半導体光導波部は、信号光が出射する端面が波長フィルタ層を有するようにすることで、当該波長フィルタ層を半導体光導波部に入射される信号光よりも短い波長の光をカットするものとすることができ、ASEの発生で広がった信号光パルスの短波長側をカットすることができる。   The semiconductor optical waveguide of the semiconductor optical amplifier of the present invention has a wavelength filter layer shorter than the signal light incident on the semiconductor optical waveguide by making the end face from which the signal light is emitted have a wavelength filter layer. Therefore, it is possible to cut the short wavelength side of the signal light pulse spread by the generation of ASE.

また、本発明の半導体光増幅器は、一方の端面が波長分散を補償するチャープミラー或いはチャープブラッグ格子を有するようにすることで、他方の端面から信号光を入射させ増幅された信号光を出射させることができると共に、信号光がパルス光でも分散でパルス幅が広がることを防ぐことができる。   In addition, the semiconductor optical amplifier of the present invention has one end face having a chirp mirror or chirp Bragg grating that compensates for chromatic dispersion, so that signal light is incident from the other end face and emitted amplified signal light is emitted. In addition, even if the signal light is pulsed light, it is possible to prevent the pulse width from spreading due to dispersion.

さらに、本発明の半導体光増幅器は、一方の端面から所定の角度で信号光を入射させ、信号光が一対の端面間で多重反射して半導体導波部内をマルチパスするように構成要素を配置することで、増幅率をより一層高くすることができる。   Furthermore, in the semiconductor optical amplifier of the present invention, components are arranged so that signal light is incident at a predetermined angle from one end face, and the signal light is multi-reflected between the pair of end faces and multipaths in the semiconductor waveguide. By doing so, the amplification factor can be further increased.

本発明の半導体光増幅器は、信号光が入射する端面が伸張素子を有するようにすることで、信号光パルスのパルス幅が伸張されるので、導波部で増幅されパワーが増大しても増幅器が損傷を受けることがない。   In the semiconductor optical amplifier according to the present invention, the end face on which the signal light is incident has an expansion element so that the pulse width of the signal light pulse is expanded. Will not be damaged.

本発明の半導体光増幅器は、信号光が出射する端面が圧縮素子を有するようにすることで、出射する信号光パルスが圧縮されるので、導波部の材料分散で広がったパルス幅を元に戻すことができる。また、出射する信号光のパルス幅が圧縮されるので信号光パワーによる損傷を防ぐために入射する信号光のパルス幅を伸張させることができる。   In the semiconductor optical amplifier of the present invention, since the signal light pulse to be emitted is compressed by making the end face from which the signal light is emitted have a compression element, the pulse width spread by the material dispersion of the waveguide portion is used. Can be returned. Further, since the pulse width of the emitted signal light is compressed, the pulse width of the incident signal light can be extended in order to prevent damage due to the signal light power.

また、本発明の半導体光増幅器は、伸張素子及び圧縮素子をチャープブラッグ格子とし、少なくとも一方をチャープ量可変型チャープブラッグ格子とすることで、信号光のパルス幅を任意に変更することができる。   In the semiconductor optical amplifier of the present invention, the pulse width of the signal light can be arbitrarily changed by using the chirped Bragg grating as the expansion element and the compressing element and the chirped Bragg grating having at least one chirp amount.

さらに、本発明の半導体光スイッチは、電圧制御手段をオン、オフすることにより信号光をオン、オフすることができる。   Furthermore, the semiconductor optical switch of the present invention can turn on / off the signal light by turning on / off the voltage control means.

以下に本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure, common portions are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

図1は、本発明の一実施形態を示す希土類元素添加半導体光増幅器の概略断面図である。この図に示すように、光増幅器は、コアとしての希土類元素添加半導体光導波部1(以下導波部1と略記する)がp型半導体クラッド層10、n型半導体クラッド層10’でサンドイッチされ、さらにその外側に電極パッド21をもつp型電極2、電極パッド21’をもつn型電極2’が積層されている。導波部1は信号光の伝搬方向に格子間隔が漸増するチャープブラッグ格子3を有し、導波部1の両端に信号光の伝搬方向と直交する端面4、4’をもっている。そして各端面4、4’には透過率制御層5、5’を備えている。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a rare earth element-doped semiconductor optical amplifier showing an embodiment of the present invention. As shown in this figure, in the optical amplifier, a rare earth element-doped semiconductor optical waveguide portion 1 (hereinafter abbreviated as waveguide portion 1) as a core is sandwiched between a p-type semiconductor clad layer 10 and an n-type semiconductor clad layer 10 ′. Further, a p-type electrode 2 having an electrode pad 21 and an n-type electrode 2 ′ having an electrode pad 21 ′ are laminated on the outer side. The waveguide section 1 has a chirped Bragg grating 3 in which the grating interval gradually increases in the propagation direction of the signal light, and has end faces 4 and 4 ′ that are orthogonal to the propagation direction of the signal light at both ends of the waveguide section 1. Each end face 4, 4 ′ is provided with a transmittance control layer 5, 5 ′.

希土類元素添加半導体導波部1の希土類元素と半導体は、信号光の波長帯と関係があり、例えば、1.5μm帯の場合Erを、1.0μm帯の場合Ybを、信号光波長を透過するバンドギャップの半導体に添加するとよい。1.0μm帯より長波長の信号光を透過するバンドギャップをもつ半導体としては、GaAs、InGaAsPなどを用いることができる。希土類元素の添加濃度が高くなれば増幅利得が高くなるが、添加濃度が高くなると濃度消光が起きる。濃度消光を抑えて希土類元素を高濃度に添加するためには酸素を一緒に添加するとよい。   The rare earth element and the semiconductor of the rare earth element-doped semiconductor waveguide 1 are related to the wavelength band of signal light. For example, Er is transmitted in the 1.5 μm band, Yb is transmitted in the 1.0 μm band, and the signal light wavelength is transmitted. It may be added to a semiconductor having a band gap. As the semiconductor having a band gap that transmits signal light having a wavelength longer than the 1.0 μm band, GaAs, InGaAsP, or the like can be used. When the addition concentration of the rare earth element is increased, the amplification gain is increased. However, when the addition concentration is increased, concentration quenching occurs. In order to suppress concentration quenching and add a rare earth element at a high concentration, oxygen may be added together.

後述するように、半導体光増幅器は半導体結晶を成長させて作られるため、クラッド層10、10’の半導体は、導波部1の半導体に応じて選定される必要がある。すなわち、クラッド層10、10’は、導波部1がGaAsの場合それぞれp型GaAs、n型GaAsやp型GaInP、n型GaInPなどを用いるとよい。導波部1がInGaAsPの場合、クラッド層10、10’はそれぞれp型InP、n型InPを用いるとよい。信号光がコリメート光の場合は信号光の導波部1への閉じ込めが弱くてよいのでクラッド層10、10’を省いてもよい。   As will be described later, since the semiconductor optical amplifier is made by growing a semiconductor crystal, the semiconductor of the cladding layers 10 and 10 ′ needs to be selected according to the semiconductor of the waveguide section 1. That is, for the cladding layers 10 and 10 ', p-type GaAs, n-type GaAs, p-type GaInP, n-type GaInP, or the like may be used when the waveguide 1 is GaAs. When the waveguide 1 is InGaAsP, the cladding layers 10 and 10 'may be p-type InP and n-type InP, respectively. When the signal light is collimated light, the confinement of the signal light in the waveguide section 1 may be weak, so the cladding layers 10 and 10 'may be omitted.

図1の透過率制御層5、5’は反射防止膜であり、信号光が端面4に入射するときと端面4’から出射するときの反射損失を無視できる程度にすることができる。反射防止膜は屈折率の異なる物質例えば、SiO2とTiO2を交互に所定の膜厚で積層することで形成することができる。   The transmittance control layers 5 and 5 ′ in FIG. 1 are antireflection films, and can reduce reflection loss when signal light is incident on the end surface 4 and emitted from the end surface 4 ′ to a negligible level. The antireflection film can be formed by alternately laminating substances having different refractive indexes, for example, SiO 2 and TiO 2 with a predetermined film thickness.

導波部1がEr添加GaAsの場合について半導体光増幅器の作製法を以下に説明する。まず、p型GaAsクラッド層10の上に回折格子ホトマスクを密着露光してエッチングすることでチャープブラッグ格子3を作製する。次にチャープブラッグ格子3が作製されたp型GaAsクラッド層10の上にGaAsをMOCVD(有機金属化学気相成長法)、MBE(分子線結晶成長法)等で所定の膜厚成長させる。次にそのGaAsの上にErとOをイオンプランテーション、レーザーアブレーションなどで所定量添加してEr添加GaAs導波部1を作製する。次にそのEr添加GaAs導波部1の上にn型GaAsクラッド層10’をMOCVDなどで所定の膜厚形成する。次にp型GaAsクラッド層10側にはp型電極2を、n型GaAsクラッド層10’側にはn型電極2’を形成し、スパッタリングなどでAuの電極パッド21,21’を形成する。   A method for manufacturing a semiconductor optical amplifier in the case where the waveguide portion 1 is Er-doped GaAs will be described below. First, a chirped Bragg grating 3 is manufactured by exposing a diffraction grating photomask on the p-type GaAs clad layer 10 for close exposure and etching. Next, GaAs is grown on the p-type GaAs cladding layer 10 on which the chirped Bragg lattice 3 is formed by a predetermined film thickness by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), MBE (molecular beam crystal growth) or the like. Next, Er and O are added onto the GaAs by a predetermined amount by ion plantation, laser ablation, or the like, thereby producing an Er-doped GaAs waveguide 1. Next, an n-type GaAs clad layer 10 ′ is formed on the Er-doped GaAs waveguide 1 with a predetermined film thickness by MOCVD or the like. Next, the p-type electrode 2 is formed on the p-type GaAs cladding layer 10 side, the n-type electrode 2 'is formed on the n-type GaAs cladding layer 10' side, and Au electrode pads 21, 21 'are formed by sputtering or the like. .

端面4,4’は導波部1の端部を劈開するか、端部を研磨することで形成される。反射防止膜5,5’は端面4,4’の上にSiO2とTiO2を交互に同じ膜厚となるようにスパッタリングすることで形成される。   The end surfaces 4 and 4 ′ are formed by cleaving the end portion of the waveguide portion 1 or polishing the end portion. The antireflection films 5, 5 'are formed by sputtering SiO2 and TiO2 alternately on the end faces 4, 4' so as to have the same film thickness.

上述した図1は、本発明の実施例1の希土類元素添加半導体光増幅器の概略断面図である。すなわち、コアとしての希土類元素添加半導体導波部1がp型半導体クラッド層10、n型半導体クラッド層10’でサンドイッチされ、さらにその外側に電極パッド21をもつp型電極10、電極パッド21’をもつn型電極10’が積層されている。導波部1は導波部1の材料分散を補償するように設計された信号光の伝搬方向に格子間隔が漸増するチャープブラッグ格子3を有し、導波部1の両端に信号光の伝搬方向と直交する端面4、4’をもっている。そして各端面4、4’には透過率制御層としての反射防止膜5、5’を備えている。   FIG. 1 described above is a schematic cross-sectional view of the rare earth element-doped semiconductor optical amplifier according to the first embodiment of the present invention. That is, the rare earth element-doped semiconductor waveguide 1 as a core is sandwiched between a p-type semiconductor clad layer 10 and an n-type semiconductor clad layer 10 ′, and further has a p-type electrode 10 and an electrode pad 21 ′ having an electrode pad 21 on the outer side. Are stacked. The waveguide section 1 has a chirped Bragg grating 3 whose grating spacing gradually increases in the propagation direction of signal light designed to compensate for material dispersion of the waveguide section 1, and propagation of signal light at both ends of the waveguide section 1. It has end faces 4, 4 'perpendicular to the direction. Each end face 4, 4 ′ is provided with an antireflection film 5, 5 ′ as a transmittance control layer.

半導体導波部1はErを1020 コ/cm3 添加したGaAs活性層であり、クラッド層10、10’はそれぞれp型GaInP、n型GaInPである。電極2、2’はそれぞれp型GaAs、n型GaAsであり、電極パッド21,21’はAuである。反射防止膜5,5’はSiO2とTiO2の多層膜である。 The semiconductor waveguide 1 is a GaAs active layer to which Er is added at 10 20 co / cm 3 , and the cladding layers 10 and 10 ′ are p-type GaInP and n-type GaInP, respectively. The electrodes 2 and 2 'are p-type GaAs and n-type GaAs, respectively, and the electrode pads 21 and 21' are Au. The antireflection films 5 and 5 ′ are multilayer films of SiO2 and TiO2.

電極パッド21,21’に所定の直流電圧を印加した状態で波長1.5μm、スペクトル幅10nm、パルス幅300fs、ピークパワー2KWの信号光を入射させたところ、パルス幅300fs、ピークパワー3KWの出射信号光が得られた。なお、出射信号光のスペクトル幅はASEによると見られる短波長側への拡張があり、12nmであった。   When signal light having a wavelength of 1.5 μm, a spectral width of 10 nm, a pulse width of 300 fs, and a peak power of 2 KW is incident with a predetermined DC voltage applied to the electrode pads 21 and 21 ′, an output with a pulse width of 300 fs and a peak power of 3 KW is made. Signal light was obtained. Note that the spectrum width of the outgoing signal light was 12 nm with an extension to the short wavelength side seen according to ASE.

図2は、実施例2の希土類元素添加半導体光増幅器の概略断面図である。実施例2の光増幅器は、実施例1の光増幅器の反射防止膜5をチャープミラー7にし、チャープ格子3をなくした点と、反射防止膜5’の上に波長フィルタ6を装着した点が異なる以外は実施例1の光増幅器と同じである。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a rare earth element-doped semiconductor optical amplifier according to the second embodiment. The optical amplifier of the second embodiment is characterized in that the antireflection film 5 of the optical amplifier of the first embodiment is a chirp mirror 7 and the chirped grating 3 is eliminated, and the wavelength filter 6 is mounted on the antireflection film 5 ′. Except for the difference, the optical amplifier is the same as that of the first embodiment.

チャープミラー7は膜厚が端面4から遠ざかる方向に漸増するSiO2とTiO2の多層膜であり、膜厚が反射回折効率を高くするように設計されている。波長フィルタ6は通常の干渉フィルタタイプの光学フィルタで、カットオフ波長が1.495μmのロングパスフィルタである。なお、波長フィルタ6としてはファブリ・ペロ・エタロンや半導体などを用いることができる。半導体はバンドギャップエネルギに相当する波長より短い波長の光をカットするので、カットオフ波長が1.495μmの半導体を反射防止膜5’の上に形成して波長フィルタ6としても良い。たとえば、InGaAsPのGaAsとInPの組成を制御することでカットオフ波長を制御することができる。   The chirp mirror 7 is a multilayer film of SiO2 and TiO2 whose film thickness gradually increases in the direction away from the end face 4, and the film thickness is designed so as to increase the reflection diffraction efficiency. The wavelength filter 6 is a normal interference filter type optical filter, and is a long-pass filter with a cutoff wavelength of 1.495 μm. As the wavelength filter 6, a Fabry-Perot etalon or a semiconductor can be used. Since the semiconductor cuts light having a wavelength shorter than the wavelength corresponding to the band gap energy, a semiconductor having a cutoff wavelength of 1.495 μm may be formed on the antireflection film 5 ′ to form the wavelength filter 6. For example, the cutoff wavelength can be controlled by controlling the composition of GaAs and InP of InGaAsP.

電極パッド21,21’に所定の直流電圧を印加した状態で波長1.5μm、スペクトル幅10nm、パルス幅300fs、ピークパワー2KWの信号光を端面4’側から入射させたところ、パルス幅300fs、ピークパワー4.5KWの出射信号光が同じ端面4’側から得られた。得られた信号光のスペクトル幅は入射信号光と同じ10nmであった。   When signal light having a wavelength of 1.5 μm, a spectral width of 10 nm, a pulse width of 300 fs, and a peak power of 2 KW is incident on the electrode pads 21 and 21 ′ from the end face 4 ′ side, a pulse width of 300 fs, Outgoing signal light having a peak power of 4.5 KW was obtained from the same end face 4 ′ side. The spectrum width of the obtained signal light was 10 nm which is the same as the incident signal light.

図3は、実施例3の希土類元素添加半導体光増幅器の概略断面図であり、図4は、図3のA-A線断面図である。実施例3の光増幅器は、実施例1の光増幅器の反射防止膜5をチャープ量可変負チャープブラッグ格子(伸張素子)8に、反射防止膜5’をチャープ量可変正チャープブラッグ格子(圧縮素子)9にし、チャープブラッグ格子3をなくした点と、図4からわかるように、負チャープブラッグ格子8を手前に、正チャープブラッグ格子9を奥に配置し、入射信号光の負チャープブラッグ格子8による回折光が端面4,4’で多重反射するようにした点が異なる以外は実施例1の光増幅器と同じである。なお、実施例1(図1)のように、伸張素子8と圧縮素子9の代わりに反射防止膜5、5’を用いる場合は、信号光を点線矢印の方向に入射させる必要がある。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the rare earth element-doped semiconductor optical amplifier according to the third embodiment, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. In the optical amplifier of the third embodiment, the antireflection film 5 of the optical amplifier of the first embodiment is changed to a chirp amount variable negative chirp Bragg grating (extension element) 8, and the antireflection film 5 'is changed to a chirp amount variable positive chirp Bragg grating (compression element). ) 9 and the point that the chirp Bragg grating 3 is eliminated and as can be seen from FIG. This is the same as the optical amplifier of the first embodiment except that the diffracted light due to is subjected to multiple reflection at the end faces 4 and 4 '. When the antireflection films 5 and 5 'are used instead of the expansion element 8 and the compression element 9 as in the first embodiment (FIG. 1), the signal light needs to be incident in the direction of the dotted arrow.

チャープ量可変負チャープブラッグ格子8は、膜厚が信号光が伝播する方向に漸減するSiO2とTiO2の多層膜81と白金抵抗加熱体82とを有し、多層膜81の膜厚は透過回折効率が高くなるように設計されている。チャープ量可変正チャープブラッグ格子9は、膜厚が信号光が伝播する方向に漸増するSiO2とTiO2の多層膜91と白金抵抗加熱体92とを有し、多層膜91の膜厚も透過回折効率が高くなるように設計されている。白金抵抗加熱体82、92に流す電流を調節して多層膜8と9の温度を調節することによって、それぞれの格子間隔を変えることができる。   The chirp variable negative chirp Bragg grating 8 includes a multilayer film 81 of SiO2 and TiO2 whose thickness gradually decreases in the direction in which the signal light propagates, and a platinum resistance heater 82, and the film thickness of the multilayer film 81 has a transmission diffraction efficiency. Is designed to be high. The chirp amount variable positive chirp Bragg grating 9 includes a multilayer film 91 of SiO2 and TiO2 and a platinum resistance heating body 92 whose film thickness gradually increases in the direction in which signal light propagates. Is designed to be high. By adjusting the current flowing through the platinum resistance heaters 82 and 92 to adjust the temperature of the multilayer films 8 and 9, the lattice spacing can be changed.

チャープ量可変チャープブラッグ格子としては、上記の他に半導体導波路にチャープブラッグ格子を形成し、電界を印加してチャープ量を変えるようにしてもよい。あるいは、LiNbO3のような電気光学結晶にポーリングなどでチャープする周期分極を形成し、その周期を電気的に変えるようにしてもよい。   As the chirp amount variable chirp Bragg grating, in addition to the above, a chirp Bragg grating may be formed in the semiconductor waveguide, and an electric field may be applied to change the chirp amount. Alternatively, periodic polarization that chirps by poling or the like may be formed in an electro-optic crystal such as LiNbO3, and the period may be electrically changed.

また、本実施例では伸張器と圧縮器をチャープブラッグ格子としたが、通常のプリズム対や回折格子対を用いてもよい。   In this embodiment, the expander and the compressor are chirped Bragg gratings, but ordinary prism pairs and diffraction grating pairs may be used.

電極パッド21,21’に所定の直流電圧を印加すると共に、負チャープブラッグ格子8で信号光のパルス幅を2倍に伸張し、正チャープブラッグ格子9で元のパルス幅に圧縮するように白金抵抗加熱体82、92に流す電流を調節した状態で、波長1.5μm、スペクトル幅10nm、パルス幅300fs、ピークパワー2KWの信号光を負チャープブラッグ格子8側から入射させたところ、パルス幅300fs、ピークパワー6.75KWの出射信号光が得られた。実施例1より2倍強高いピークパワーが得られたが、半導体導波部1を伝搬する信号光のパルス幅が2倍に伸張されているため、破損することがなかった。   Platinum is applied so that a predetermined DC voltage is applied to the electrode pads 21, 21 ′, the pulse width of the signal light is doubled by the negative chirp Bragg grating 8, and the original pulse width is compressed by the positive chirp Bragg grating 9. When the current flowing through the resistance heating elements 82 and 92 is adjusted, signal light having a wavelength of 1.5 μm, a spectral width of 10 nm, a pulse width of 300 fs, and a peak power of 2 KW is incident from the negative chirp Bragg grating 8 side. An outgoing signal light having a peak power of 6.75 KW was obtained. Although a peak power twice as high as that of Example 1 was obtained, the pulse width of the signal light propagating through the semiconductor waveguide 1 was extended twice, so that it was not damaged.

本実施例は、本発明の希土類元素添加半導体光スイッチの実施例であり、概略断面図を図5に示す。本実施例の光スイッチは、構成としては実施例1(図1)の半導体増幅器とほとんど同じであるが、半導体光導波部1にチャープブラッグ格子3を有していない点と、電圧制御手段11を有している点が異なる。すなわち、コアとしての希土類元素添加半導体導波部1がp型半導体クラッド層10、n型半導体クラッド層10’でサンドイッチされ、さらにその外側に電極パッド21をもつp型電極2、電極パッド21’をもつn型電極2’が積層されている。そして、導波部1の両端に信号光の伝搬方向と直交する端面4、4’をもっており、各端面4、4’には透過率制御層としての反射防止膜5、5’を備えている。   This example is an example of the rare earth element-doped semiconductor optical switch of the present invention, and a schematic cross-sectional view is shown in FIG. The configuration of the optical switch of this embodiment is almost the same as that of the semiconductor amplifier of the first embodiment (FIG. 1), but the semiconductor optical waveguide section 1 does not have the chirped Bragg grating 3, and the voltage control means 11 Is different. That is, the rare earth element-doped semiconductor waveguide 1 as the core is sandwiched between the p-type semiconductor clad layer 10 and the n-type semiconductor clad layer 10 ′, and the p-type electrode 2 and electrode pad 21 ′ having the electrode pad 21 on the outer side thereof. Are stacked. Then, both ends of the waveguide section 1 have end faces 4, 4 ′ orthogonal to the propagation direction of the signal light, and each end face 4, 4 ′ is provided with an antireflection film 5, 5 ′ as a transmittance control layer. .

半導体導波部1はErを1020 コ/cm3 添加したGaAs活性層であり、クラッド層10、10’はそれぞれp型GaInP、n型GaInPである。電極2、2’はそれぞれp型GaAs、n型GaAsであり、電極パッド21,21’はAuである。反射防止膜5,5’はSiO2とTiO2の多層膜である。 The semiconductor waveguide 1 is a GaAs active layer to which Er is added at 10 20 co / cm 3 , and the cladding layers 10 and 10 ′ are p-type GaInP and n-type GaInP, respectively. The electrodes 2 and 2 'are p-type GaAs and n-type GaAs, respectively, and the electrode pads 21 and 21' are Au. The antireflection films 5 and 5 ′ are multilayer films of SiO2 and TiO2.

波長1.5μmの信号光を入射させた状態で、電極パッド21,21’に印加する電圧を電圧制御手段11でオン・オフさせたところ、電圧オンのときのみ信号光の出射が観測された。   When the voltage applied to the electrode pads 21 and 21 'was turned on / off by the voltage control means 11 in a state where signal light having a wavelength of 1.5 μm was incident, emission of the signal light was observed only when the voltage was on. .

本発明の一実施形態を示す希土類元素添加半導体光増幅器の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the rare earth element addition semiconductor optical amplifier which shows one Embodiment of this invention. 実施例2の希土類元素添加半導体光増幅器の概略断面図である。6 is a schematic cross-sectional view of a rare earth element-doped semiconductor optical amplifier according to Example 2. FIG. 実施例3の希土類元素添加半導体光増幅器の概略断面図である。6 is a schematic cross-sectional view of a rare earth element-doped semiconductor optical amplifier according to Example 3. FIG. 図3のA-A線断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 3. 実施例4の希土類元素添加半導体光スイッチの概略断面図である。6 is a schematic cross-sectional view of a rare earth element-doped semiconductor optical switch according to Example 4. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 希土類元素添加半導体光導波部(活性層)
2、2’電極
3 チャープブラッグ格子
4、4’端面
5、5’透過率制御層
6 波長フィルタ層
7 チャープミラー
8 伸張素子(チャープ量可変型チャープブラッグ格子)
9 圧縮素子(チャープ量可変型チャープブラッグ格子)
11 電圧制御手段
1 Rare earth element-doped semiconductor optical waveguide (active layer)
2, 2 'electrode 3 chirp Bragg grating 4, 4' end face 5, 5 'transmittance control layer 6 wavelength filter layer 7 chirp mirror 8 stretching element (chirp amount variable type chirp Bragg grating)
9 Compression element (variable chirp amount type chirp Bragg grating)
11 Voltage control means

Claims (11)

希土類元素添加の半導体光導波部と、
該半導体光導波部に電圧を印加する電極と、
を有し、
該電圧印加により該半導体光導波部に注入された電荷を該希土類元素に移動させて励起し該半導体光導波部を伝搬する信号光を増幅することを特徴とする希土類元素添加半導体光増幅器。
A rare earth element-doped semiconductor optical waveguide,
An electrode for applying a voltage to the semiconductor optical waveguide;
Have
A rare earth element-added semiconductor optical amplifier, which amplifies signal light propagating through the semiconductor optical waveguide by exciting the charge injected into the semiconductor optical waveguide by applying the voltage to the rare earth element.
前記希土類元素がEr、Yb、Ndの内の少なくとも一つであることを特徴とする請求項1に記載の希土類元素添加半導体光増幅器。 2. The rare earth element-doped semiconductor optical amplifier according to claim 1, wherein the rare earth element is at least one of Er, Yb, and Nd. 前記半導体光導波部は、波長分散を補償するチャープブラッグ格子を有することを特徴とする請求項1及び2に記載の希土類元素添加半導体光増幅器。 3. The rare earth element-doped semiconductor optical amplifier according to claim 1, wherein the semiconductor optical waveguide section has a chirped Bragg grating that compensates for chromatic dispersion. 前記半導体光導波部は、前記信号光が伝搬する方向と直交する一対の端面を有し、該一対の端面の少なくとも一方は光の透過率を制御する透過率制御層を有することを特徴とする請求項1ないし3に記載の希土類元素添加半導体光増幅器。 The semiconductor optical waveguide section has a pair of end faces orthogonal to the direction in which the signal light propagates, and at least one of the pair of end faces has a transmittance control layer for controlling the light transmittance. 4. A rare earth element-doped semiconductor optical amplifier according to claim 1. 前記一対の端面の内の前記信号光が出射する端面は、波長フィルタ層を有することを特徴とする請求項4に記載の希土類元素添加半導体光増幅器。 5. The rare earth element-doped semiconductor optical amplifier according to claim 4, wherein one of the pair of end faces from which the signal light is emitted has a wavelength filter layer. 前記一対の端面の一方は、波長分散を補償するチャープミラー或いはチャープブラッグ格子を有することを特徴とする請求項4及び5に記載の希土類元素添加半導体光増幅器。 6. The rare earth element-doped semiconductor optical amplifier according to claim 4, wherein one of the pair of end faces includes a chirped mirror or a chirped Bragg grating that compensates for chromatic dispersion. 前記一対の端面の一方から所定の角度で信号光を入射させて、該信号光が該一対の端面間で多重反射して前記半導体光導波部内をマルチパスするように構成要素を配置することを特徴とする請求項4又は5に記載の希土類元素添加半導体光増幅器。 Arranging components such that signal light is incident at a predetermined angle from one of the pair of end faces, and the signal light is multi-reflected between the pair of end faces and multipaths in the semiconductor optical waveguide. 6. The rare earth element-doped semiconductor optical amplifier according to claim 4 or 5. 前記一対の端面の内の前記信号光が入射する端面は、該入射する信号光のパルス幅を伸張する伸張素子を有することを特徴とする請求項4ないし7に記載の希土類元素添加半導体光増幅器。 8. The rare earth element-doped semiconductor optical amplifier according to claim 4, wherein an end face of the pair of end faces on which the signal light is incident has a stretching element that stretches a pulse width of the incident signal light. . 前記一対の端面の内の前記信号光が出射する端面は、該出射する信号光のパルス幅を圧縮する圧縮素子を有することを特徴とする請求項4ないし8に記載の希土類元素添加半導体光増幅器。 9. The rare earth element-doped semiconductor optical amplifier according to claim 4, wherein an end face of the pair of end faces from which the signal light is emitted has a compression element that compresses a pulse width of the emitted signal light. . 前記伸張素子及び前記圧縮素子はチャープブラッグ格子であり、少なくとも一方はチャープ量可変型チャープブラッグ格子であることを特徴とする請求項8或いは請求項9に記載の希土類元素添加半導体光増幅器。 10. The rare earth element-doped semiconductor optical amplifier according to claim 8, wherein the extension element and the compression element are chirp Bragg gratings, and at least one of them is a chirp amount variable type chirp Bragg grating. 希土類元素添加の半導体光導波部と、
該半導体光導波部に電圧を印加する電極と、
該電圧をオン-オフ制御する電圧制御手段と、
を有し、
該電圧制御手段オンにより該半導体光導波部に注入された電荷を該希土類元素に移動させて励起し該半導体光導波部を伝搬する信号光を増幅し、該電圧制御手段オフにより該導波部を伝搬する信号光を吸収することを特徴とする希土類元素添加半導体光スイッチ。
A rare earth element-doped semiconductor optical waveguide,
An electrode for applying a voltage to the semiconductor optical waveguide;
Voltage control means for on-off control of the voltage;
Have
When the voltage control means is turned on, the electric charge injected into the semiconductor optical waveguide is moved to the rare earth element to excite and amplify the signal light propagating through the semiconductor optical waveguide, and when the voltage control means is turned off, the waveguide A rare earth element-added semiconductor optical switch characterized by absorbing signal light propagating through the substrate.
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