JP2009087956A - External resonator type variable wavelength laser and semiconductor optical amplifier built into the same - Google Patents

External resonator type variable wavelength laser and semiconductor optical amplifier built into the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve an external resonator type variable wavelength laser using a wavelength bandpass filter having residual transmission or reflection to some extent, or a variable wavelength reflection structure. <P>SOLUTION: The external resonator type variable wavelength laser incorporates a semiconductor gain region having a product ΓL of an optical confinement constant Γ and semiconductor gain region length L where the absolute value ΔLoss (dB) between loss at a wavelength λ1 in the reflection structure and loss at a wavelength λ2 becomes larger than a difference Δg (dB) between a gain at the wavelength λ1 in the semiconductor gain region and a gain at a wavelength λ2 in laser oscillation, when the reflection spectrum peak wavelength of the reflection structure is the arbitrary wavelength λ1 included in the variable wavelength range of the variable wavelength laser and is the wavelength λ2 indicating the maximum gain in the semiconductor gain region in laser oscillation. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、反射スペクトルピーク波長を可変できる面型の反射構造を有する外部共振器型波長可変レーザおよび、該波長可変レーザに半導体利得領域として内蔵する半導体光増幅器に関する。   The present invention relates to an external resonator type wavelength tunable laser having a surface type reflection structure capable of varying a reflection spectrum peak wavelength, and a semiconductor optical amplifier built in the wavelength tunable laser as a semiconductor gain region.

近年、急速なインターネットの普及に伴って通信トラフィックの更なる大容量化が求められている。それに対応するため、光通信システムシステムにおいても単チャンネルあたりの伝送速度の向上、ならびに光波長分割多重(WDM:Wavelength Division Multiplexing)方式を用いることによるチャンネル数の拡大が進んでいる。   In recent years, with the rapid spread of the Internet, there has been a demand for further increase in communication traffic capacity. In order to cope with this, in the optical communication system, the transmission rate per single channel is improved, and the number of channels is increased by using a wavelength division multiplexing (WDM) system.

WDMは、異なる搬送波長(チャンネル)の複数の光信号を同時に伝送する方式で、1つの光ファイバで伝送することができるため、多重するチャンネル数に応じて通信容量を拡大することが可能になる。例えば、1チャンネル当たり10ギガビット/秒で変調し、100チャンネル分を1つの共通な光ファイバで伝送すれば、通信容量は1テラビット/秒にも達する。   WDM is a method of simultaneously transmitting a plurality of optical signals of different carrier wavelengths (channels), and can be transmitted by one optical fiber. Therefore, the communication capacity can be expanded according to the number of multiplexed channels. . For example, if modulation is performed at 10 gigabits / second per channel and 100 channels are transmitted through one common optical fiber, the communication capacity reaches 1 terabit / second.

近年の中長距離光通信では、光ファイバ増幅器(EDFA、エルビウム・ドープ・ファイバ・アンプリファイア)によって増幅することのできるC帯(1530〜1570ナノメートル)が広く用いられている。また、さらなる通信容量の拡大のために、L帯(1570〜1610ナノメートル)が用いられることもある。   In recent medium and long-distance optical communications, the C band (1530 to 1570 nanometers) that can be amplified by an optical fiber amplifier (EDFA, erbium-doped fiber amplifier) is widely used. In addition, the L band (1570 to 1610 nanometers) may be used for further expansion of communication capacity.

一般に、WDMシステムでは波長毎に異なるレーザ装置が必要となる。そのため、WDMシステムの製造者および使用者は、標準チャンネルの各波長に応じたレーザ装置を準備しておく必要があった。例えば、100チャンネルであれば100種類のレーザ装置が必要であり、そのため在庫管理および棚卸しコストが増大する。   Generally, a WDM system requires a different laser device for each wavelength. For this reason, manufacturers and users of the WDM system need to prepare laser devices corresponding to the wavelengths of the standard channels. For example, if there are 100 channels, 100 types of laser devices are required, which increases inventory management and inventory costs.

そこでWDMシステムの特に中長距離通信システムにおいて、C帯(またはL帯)の波長全体を1台のレーザでカバーする波長可変レーザの実用化が求められている。1台のレーザ装置でC帯(またはL帯)の全体をカバーできれば、製造者および使用者は、単一のレーザ装置を準備しておけばよく、在庫管理や棚卸しコストを大幅に削減することができる。   In view of this, there has been a demand for practical use of a wavelength tunable laser that covers the entire wavelength of the C band (or L band) with a single laser in a WDM system, particularly in a medium to long distance communication system. If the entire C band (or L band) can be covered with a single laser device, the manufacturer and the user need only prepare a single laser device, greatly reducing inventory management and inventory costs. Can do.

このような大容量、高機能、および高信頼性を有する光通信ネットワークを構築するためには、発光デバイスが波長を自在に変更でき、制御できる技術が必要不可欠である。そして波長の制御にはレーザ装置内に組み込まれる波長可変レーザが極めて重要なキーデバイスとなる。   In order to construct an optical communication network having such a large capacity, high functionality, and high reliability, a technology that allows the light emitting device to freely change and control the wavelength is indispensable. In order to control the wavelength, a wavelength tunable laser incorporated in the laser apparatus is an extremely important key device.

これらの要求を満たす波長可変レーザとして、これまで多くの方法が提案されている。   Many methods have been proposed as a wavelength tunable laser that satisfies these requirements.

その一つとして発振波長をずらした複数の分布帰還型半導体レーザ(DFBレーザ)を並列に備え、それらのレーザを切り替えて用いることで粗調し、さらに温度による屈折率変化を利用して微調するものが特許文献1に記載されている。   As one of them, a plurality of distributed feedback semiconductor lasers (DFB lasers) whose oscillation wavelengths are shifted are provided in parallel, and coarse adjustment is performed by switching between these lasers, and further fine adjustment is performed using a refractive index change due to temperature. This is described in Patent Document 1.

しかし、この構造では複数のレーザの出力ポートを1つにして光ファイバに結合するために光結合器が必要であり、並列のレーザ数が増加すればその分だけ結合器での損失が増大する。そのため、波長の可変範囲と光出力がトレードオフの関係にあった。   However, in this structure, an optical coupler is required to couple the output ports of a plurality of lasers to one optical fiber, and as the number of parallel lasers increases, the loss at the coupler increases accordingly. . Therefore, there is a trade-off relationship between the variable wavelength range and the light output.

一方、このトレードオフから脱却し、波長制御の要求を満たす波長可変レーザとして、外部共振器型波長可変レーザがあり、盛んに研究開発が行われている。外部共振器型波長可変レーザは、半導体光増幅器(SOA:セミコンダクター・オプティカル・アンプリファイア)と外部反射鏡を用いて共振器を形成し、共振器内に波長可変の反射構造を挿入することによって波長の選択を実現する。この外部共振器型波長可変レーザによれば、比較的容易にC帯の全域をカバーする波長可変幅が得られる。   On the other hand, there is an external cavity type wavelength tunable laser as a wavelength tunable laser that goes out of this trade-off and satisfies the requirements for wavelength control, and research and development are actively conducted. An external resonator type wavelength tunable laser is formed by forming a resonator using a semiconductor optical amplifier (SOA: Semiconductor Optical Amplifier) and an external reflecting mirror, and inserting a wavelength tunable reflecting structure into the resonator. Realize the selection. According to this external resonator type wavelength tunable laser, a wavelength tunable width that covers the entire C band can be obtained relatively easily.

このタイプの波長可変レーザは、基本特性の大部分が波長可変反射構造によって決まるため、優れた特性を有する様々な波長可変構造が開発されている。例えば、特許文献2や特許文献3に示されるような音響工学フィルタや誘電体フィルタ、エタロンなどを用いた反射構造などがある。   Since most of the basic characteristics of this type of wavelength tunable laser are determined by the wavelength tunable reflection structure, various wavelength tunable structures having excellent characteristics have been developed. For example, there is a reflection structure using an acoustic engineering filter, a dielectric filter, an etalon, or the like as disclosed in Patent Document 2 or Patent Document 3.

そのような波長可変構造を用いて構成された外部共振器型波長可変レーザにも様々なものがある。特に高性能な光源を実現するために、特許文献3に示されたような、利得媒質に加えて、周期的なチャンネル選択フィルタ、波長可変フィルタ、および反射ミラーを備えた構成が有効である。例えば、周期的なチャンネル選択フィルタとして、周期的な周波数特性を有するエタロンが用いられる。また、波長可変フィルタとして音響工学フィルタが用いられ、波長可変反射構造として電気制御型波長可変反射構造等が用いられる。   There are various types of external cavity type wavelength tunable lasers configured using such a wavelength tunable structure. In order to realize a particularly high-performance light source, a configuration including a periodic channel selection filter, a wavelength tunable filter, and a reflection mirror in addition to the gain medium as shown in Patent Document 3 is effective. For example, an etalon having a periodic frequency characteristic is used as a periodic channel selection filter. An acoustic engineering filter is used as the wavelength tunable filter, and an electrically controlled wavelength tunable reflection structure or the like is used as the wavelength tunable reflection structure.

また、低コスト化、高信頼性で小型の外部共振器型波長可変レーザの実現のためには、電気的に駆動可能な面型の波長可変構造が有効である。このようなフィルタは例えば、非特許文献1に示されたようなものがある。
特開2003−023208号公報 特開平04−69987号公報 特開2000−261086号公報 J.De.Merlier et.al. 、「FullC−Band External Cavity Wavelength Tunable Laser Using a Liquid―Crystal−Based TunableMirror」 、フォトニック・テクノロジー・レターズ(IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS) 、2005年3月 、第17巻 、第3号 、681頁から683頁(図1(a))
In addition, a surface-type wavelength tunable structure that can be electrically driven is effective for realizing a low-cost, high-reliability, and small-sized external resonator type tunable laser. Such a filter is, for example, as shown in Non-Patent Document 1.
JP 2003-023208 A Japanese Patent Laid-Open No. 04-69987 Japanese Patent Laid-Open No. 2000-261086 J. et al. De. Merlier et. al. , “FullC-Band External Cavity Wavelength Tunable Laser Using a Liquid-Crystal-Based Tunable Mirror, Vol. 68, Photonic Technology Letters, No. 3, IEEE PHOTICS MONTE TECH MONTE TECH TE Page (Figure 1 (a))

しかしながら、面型の波長可変反射構造を用いて外部共振器型波長可変レーザを構成し、波長可変特性を得ようとすると、用いた波長可変反射構造の反射スペクトルピークと異なる波長で発振する場合があるという問題が生じることがわかった。   However, when an external resonator type wavelength tunable laser is configured using a surface type wavelength tunable reflection structure and an attempt is made to obtain wavelength tunable characteristics, oscillation may occur at a wavelength different from the reflection spectrum peak of the wavelength tunable reflection structure used. It turns out that there is a problem.

その原因を調べたところ、面型の波長可変反射構造には、反射スペクトルピーク以外の波長においても、相当程度の反射(以後、残留反射と呼ぶ)が存在することがわかった。   As a result of investigating the cause, it was found that the surface-type wavelength tunable reflection structure has a considerable degree of reflection (hereinafter referred to as residual reflection) even at wavelengths other than the reflection spectrum peak.

前記反射構造の反射スペクトルピーク波長をλ1とし、波長λ1における前記反射構造の反射率がR1(%)、波長λ1以外の波長λ2における前記反射構造の反射率がR2(%)のときに、反射率差ΔR(dB)をΔR=10×log(R1/R2)と定義すると、ΔRとして8dB程度を示すものもあった。   When the reflection spectrum peak wavelength of the reflecting structure is λ1, the reflectance of the reflecting structure at the wavelength λ1 is R1 (%), and the reflectance of the reflecting structure at the wavelength λ2 other than the wavelength λ1 is R2 (%). When the rate difference ΔR (dB) is defined as ΔR = 10 × log (R1 / R2), there is a case where ΔR is about 8 dB.

この課題について図1を用いて以下に説明する。   This problem will be described below with reference to FIG.

半導体光増幅器の利得ピークが波長可変範囲(λ3〜λ4)の端、例えばλ4、にあり、かつ、目的の波長λ1が波長可変範囲の片一方の端、例えばλ3、付近にあり、該波長可変範囲内でこの波長λ3で最小利得になっている場合を考える。   The gain peak of the semiconductor optical amplifier is at the end of the wavelength tunable range (λ3 to λ4), for example, λ4, and the target wavelength λ1 is at one end of the wavelength tunable range, for example, near λ3. Consider a case where the minimum gain is obtained at this wavelength λ3 within the range.

半導体光増幅器は、半導体の持つ性質から、電流注入を行うとその増幅器が持つモード利得には波長依存性が生じてしまう。外部共振器型波長可変レーザが発振している場合、波長可変範囲における典型的な値として最大モード利得と最小モード利得の差が、45cm−1程度になることがある。このような半導体光増幅器を、外部共振器型波長可変レーザを構成する半導体利得媒質として用いると、最大モード利得を示す波長λ4での波長可変反射構造のミラー損失と、最小モード利得を示す波長λ3での波長可変反射構造のミラー損失の差が45cm−1以下であると、所望の発振波長λ1(=λ3)ではなく、λ4で発振してしまうことになる。   Because of the nature of semiconductors, semiconductor optical amplifiers have wavelength dependency in the mode gain of the amplifier when current is injected. When the external resonator type wavelength tunable laser is oscillating, the difference between the maximum mode gain and the minimum mode gain may be about 45 cm −1 as a typical value in the wavelength tunable range. When such a semiconductor optical amplifier is used as a semiconductor gain medium constituting an external cavity type wavelength tunable laser, the mirror loss of the wavelength tunable reflection structure at the wavelength λ4 indicating the maximum mode gain and the wavelength λ3 indicating the minimum mode gain. If the difference in the mirror loss of the wavelength tunable reflection structure is 45 cm −1 or less, oscillation occurs at λ4 instead of the desired oscillation wavelength λ1 (= λ3).

半導体光増幅器の素子長を、良く用いられる典型的な値である500umとした場合、このミラー損失差を、波長可変反射構造の反射率差ΔRに換算すると19.5dBに相当する。   When the element length of the semiconductor optical amplifier is 500 μm, which is a typical value often used, this mirror loss difference corresponds to 19.5 dB when converted to the reflectance difference ΔR of the wavelength variable reflection structure.

すなわち、8dBの反射率差では、所望である反射スペクトルピーク付近を発振波長とすることができないことがあることがわかる。   That is, it can be seen that with a reflectance difference of 8 dB, the desired vicinity of the reflection spectrum peak may not be the oscillation wavelength.

このように残留反射を有する波長可変反射構造を用いた外部共振器型波長可変レーザでは、前記波長可変反射構造で選択した波長付近以外の波長で発振してしまうという課題があった。   As described above, the external resonator type wavelength tunable laser using the wavelength tunable reflection structure having residual reflection has a problem that it oscillates at a wavelength other than the vicinity of the wavelength selected by the wavelength tunable reflection structure.

この課題は、波長可変範囲(λ3〜λ4)が、一般に1通信波長帯におけるフルバンド動作となる35nm程度以上の範囲になる場合に、特に顕著に表れる。   This problem is particularly prominent when the wavelength variable range (λ3 to λ4) is in a range of about 35 nm or more, which is generally a full-band operation in one communication wavelength band.

この課題を解決するためには、波長可変反射構造の残留反射を低減すれば良いのであるが、面型の反射構造では、ΔRを20dB以上にすることは極めて難しい。考えられるミラー作製プロセス技術を考慮すると16dB未満になってしまうことが多い。   In order to solve this problem, it is only necessary to reduce the residual reflection of the wavelength tunable reflection structure. However, it is extremely difficult to set ΔR to 20 dB or more in the surface type reflection structure. Considering a possible mirror manufacturing process technology, it is often less than 16 dB.

本願発明の目的は、上記のような課題を軽減し、残留反射を相当程度有する面型の波長可変反射構造を用いても良好な外部共振器型波長可変レーザを実現することである。さらに該波長可変レーザを実現するために、その構成要素となる半導体利得領域を実現する半導体光増幅器を提供することにある。   An object of the present invention is to reduce the above-mentioned problems and to realize a good external resonator type wavelength tunable laser even when a surface type wavelength tunable reflection structure having a considerable residual reflection is used. Another object of the present invention is to provide a semiconductor optical amplifier that realizes a semiconductor gain region as a component in order to realize the wavelength tunable laser.

本発明の外部共振器型波長可変レーザは、反射スペクトルピーク波長を可変できる面型の反射構造を有し、かつ、半導体利得領域を少なくとも含む外部共振器型波長可変レーザにおいて、前記反射構造の反射スペクトルピーク波長が、該波長可変レーザの波長可変範囲に含まれる任意の波長λ1であり、レーザ発振時に前記半導体利得領域の最大利得を示す波長をλ2である場合、前記反射構造の波長λ1における損失と、波長λ2における損失との差の絶対値ΔLoss(dB)が、レーザ発振時における、半導体利得領域の波長λ1における利得と、波長λ2における利得との差Δg(dB)よりも大きくなる、光閉じこめ定数Γおよび半導体利得領域長Lの積ΓLを有する半導体利得領域を内蔵することを特徴としている。   An external resonator type wavelength tunable laser according to the present invention is an external resonator type wavelength tunable laser having a surface type reflection structure capable of varying a reflection spectrum peak wavelength and including at least a semiconductor gain region. When the spectral peak wavelength is an arbitrary wavelength λ1 included in the wavelength tunable range of the wavelength tunable laser and the wavelength indicating the maximum gain of the semiconductor gain region at the time of laser oscillation is λ2, the loss at the wavelength λ1 of the reflective structure And the absolute value ΔLoss (dB) of the difference between the loss at the wavelength λ2 is larger than the difference Δg (dB) between the gain at the wavelength λ1 and the gain at the wavelength λ2 of the semiconductor gain region at the time of laser oscillation. A semiconductor gain region having a product ΓL of a confinement constant Γ and a semiconductor gain region length L is incorporated.

さらに、前記外部共振器型波長可変レーザにおいて、前記波長λ1における前記反射構造の反射率がR1(%)であり、前記波長λ2における前記反射構造の反射率がR2(%)であり、反射率差ΔR(dB)を、ΔR=10×log(R1/R2)とした場合、ΔRが10dBよりも大きいことを特徴としている。   Furthermore, in the external resonator type wavelength tunable laser, the reflectance of the reflective structure at the wavelength λ1 is R1 (%), the reflectance of the reflective structure at the wavelength λ2 is R2 (%), and the reflectance When the difference ΔR (dB) is ΔR = 10 × log (R1 / R2), ΔR is larger than 10 dB.

また、前記外部共振器型波長可変レーザにおいて、前記反射構造の反射スペクトルピークの可変範囲が波長(λ4−40)nmから波長λ4までの40nmであり、前記外部共振器型波長可変レーザの1周回の共振器ロスが20〜25dBであり、前記半導体利得領域の活性領域が多重量子井戸で構成されており、請求項1に記載のΓとLおよびΔRが、25μm<Γ×L<35μm、かつ、6dB<ΔR<16dBを満たす場合、該半導体利得領域の内部損失と等しい最大モード利得を有するキャリア密度注入時における利得ピーク波長λ0が、−1.45×ΔR+(λ4+16)よりも大きく、かつ、(−0.14×(ΓL)+7.79)×ΔR+(−0.82×(ΓL)+λ4+20)よりも小さい半導体利得領域を内蔵することを特徴としている。   Further, in the external resonator type wavelength tunable laser, the variable range of the reflection spectrum peak of the reflection structure is 40 nm from the wavelength (λ4-40) nm to the wavelength λ4, and one round of the external resonator type wavelength tunable laser. And the active region of the semiconductor gain region is composed of multiple quantum wells, and Γ, L, and ΔR according to claim 1 are 25 μm <Γ × L <35 μm, and , 6 dB <ΔR <16 dB, the gain peak wavelength λ0 at the time of carrier density injection having a maximum mode gain equal to the internal loss of the semiconductor gain region is larger than −1.45 × ΔR + (λ4 + 16), and A semiconductor gain region smaller than (−0.14 × (ΓL) +7.79) × ΔR + (− 0.82 × (ΓL) + λ4 + 20) is incorporated.

さらに、前記外部共振器型波長可変レーザにおいて、発振閾電流密度Jthが30kA/cm2以下になるようなΓとLを有する半導体利得領域を有することを特徴としている。   Further, the external resonator type wavelength tunable laser has a semiconductor gain region having Γ and L such that the oscillation threshold current density Jth is 30 kA / cm 2 or less.

また、前記半導体光増幅器に、該外部共振器型波長可変レーザの共振器内の光の位相を変化させることができる受動領域を集積しても良い。   The semiconductor optical amplifier may be integrated with a passive region capable of changing the phase of light in the resonator of the external resonator type tunable laser.

また、さらに、前記半導体光増幅器の、外部共振器側の端面近傍の導波路が端面に対して垂直ではないものとしても良い。
(作用)
本発明で開示する外部共振器型波長可変レーザは、半導体利得媒体を含み、反射スペクトルピーク波長を可変できる面型の反射構造によって構成されている。
Furthermore, the waveguide near the end face on the external resonator side of the semiconductor optical amplifier may not be perpendicular to the end face.
(Function)
The external cavity type wavelength tunable laser disclosed in the present invention includes a semiconductor gain medium, and is configured by a surface-type reflection structure capable of changing the reflection spectrum peak wavelength.

前述のとおり、面型の反射構造では一般に残留反射を持ち、波長可変反射構造の反射率差ΔRを20dB以上にすることは極めて難しく、よって、本発明も、20dB未満の範囲で効果を有する。   As described above, the surface type reflection structure generally has residual reflection, and it is extremely difficult to set the reflectance difference ΔR of the wavelength variable reflection structure to 20 dB or more. Therefore, the present invention is also effective in the range of less than 20 dB.

本発明の原理を、図2を用いて詳細に説明する。   The principle of the present invention will be described in detail with reference to FIG.

外部共振器型レーザは、その外部共振器における損失と半導体利得媒質による利得が等しくなるとその波長で発振する。外部反射鏡に波長可変反射構造を用いた場合には、波長によって外部共振器の損失が異なり、該反射構造で選択した波長において、損失が一番低くなる。それは、該反射構造において選択した波長における反射率が一番高くなり、共振器にフィードバックされる光の量も多くなるからである。   The external resonator type laser oscillates at the wavelength when the loss in the external resonator is equal to the gain of the semiconductor gain medium. When the wavelength tunable reflecting structure is used for the external reflecting mirror, the loss of the external resonator varies depending on the wavelength, and the loss becomes the lowest at the wavelength selected by the reflecting structure. This is because the reflectance at the selected wavelength in the reflective structure is the highest, and the amount of light fed back to the resonator is also increased.

前記ΔRが20dB未満の波長可変反射構造を用いた外部共振器型波長可変レーザでは、波長可変反射構造において選択した波長λ1における損失と波長λ2における損失との差の絶対値ΔLossが、波長λ1および波長λ2における半導体利得媒質の利得差Δgよりも大きくなっている半導体利得媒質を用いて構成することにより、波長λ2で発振せず、所望の波長λ1で安定に発振することを可能とする。   In the external cavity type wavelength tunable laser using the wavelength tunable reflection structure with ΔR of less than 20 dB, the absolute value ΔLoss of the difference between the loss at the wavelength λ1 and the loss at the wavelength λ2 selected in the wavelength tunable reflection structure is the wavelength λ1 and By using the semiconductor gain medium that is larger than the gain difference Δg of the semiconductor gain medium at the wavelength λ2, it is possible to oscillate stably at the desired wavelength λ1 without oscillating at the wavelength λ2.

一般には、外部共振器型波長可変レーザに内蔵した半導体利得媒質の利得カーブは、構成した外部共振器ロスと同じ利得を出す電流密度、すなわち発振閾電流密度Jth、に達し該レーザが発振すると固定される。その時のΔgが小さいこと、すなわち、利得カーブが平滑であること、が、所望の波長λ1で発振させる上で重要である。   In general, the gain curve of the semiconductor gain medium built in the external resonator type tunable laser reaches a current density that gives the same gain as the configured external resonator loss, that is, the oscillation threshold current density Jth, and is fixed when the laser oscillates. Is done. The fact that Δg at that time is small, that is, that the gain curve is smooth, is important for oscillation at the desired wavelength λ1.

前記半導体利得媒質は、一般的な導波路構造の活性層を有する半導体光増幅器を用いる場合、該半導体光増幅器の特性を示すパラメータとして光閉じこめ係数Γと利得媒質長Lがある。その場合、これらの係数の積(以後ΓLと記す)は、該活性層の利得の波長依存性をほぼ代表できることがわかった。つまり、ΓLによって前記Δgを制御できるのである。適切なΓLを有する半導体光利得媒質を用いることにより、所望の波長で発振できる外部共振器型波長可変レーザを実現できる。   When a semiconductor optical amplifier having an active layer having a general waveguide structure is used as the semiconductor gain medium, there are an optical confinement coefficient Γ and a gain medium length L as parameters indicating the characteristics of the semiconductor optical amplifier. In that case, it was found that the product of these coefficients (hereinafter referred to as ΓL) can substantially represent the wavelength dependence of the gain of the active layer. That is, Δg can be controlled by ΓL. By using a semiconductor optical gain medium having an appropriate ΓL, an external resonator type tunable laser capable of oscillating at a desired wavelength can be realized.

前記ΓLが大きい活性層構造においては、同じ利得を出すための電流密度は少なくて良いため、少ない電流密度で発振が起こる。その場合、利得カーブは急峻になってしまう。つまり、Δgが大きくなってしまうため、該Δgが、ΔLossを上回り、所望の波長で発振しなくなることが問題である。   In the active layer structure having a large ΓL, since the current density for producing the same gain may be small, oscillation occurs with a small current density. In that case, the gain curve becomes steep. That is, since Δg becomes large, the problem is that Δg exceeds ΔLoss and does not oscillate at a desired wavelength.

逆に、前記ΓLが小さい活性層構造においては、外部共振器型波長可変レーザの共振器の損失を上回る利得を出すために、電流密度を高くする。この場合、Δgは小さくなるため、所望の波長λ1で発振するという点においては望ましい。しかし、閾値に達する電流密度Jthが過剰に高いことは、素子の発熱やリーク電流などの影響が顕著に見え、また、電流注入に対する光出力の飽和が早くなり、最高光出力が減少してしまう他、素子寿命が短くなるといった問題も生じてしまう。一般にJthは30kA/cm2以下にしないとこの問題が生じてしまうことが知られている。Jthを30kA/cm2以下にすることで、該波長可変光源の素子寿命を十分長くする効果を得ることができる。   On the other hand, in the active layer structure having a small ΓL, the current density is increased in order to obtain a gain that exceeds the loss of the resonator of the external cavity type tunable laser. In this case, Δg is small, which is desirable in terms of oscillation at a desired wavelength λ1. However, if the current density Jth reaching the threshold is excessively high, the influence of the heat generation and leakage current of the device appears to be remarkable, and the light output is saturated with respect to current injection, and the maximum light output decreases. In addition, there is a problem that the element life is shortened. In general, it is known that this problem occurs unless Jth is 30 kA / cm 2 or less. By setting Jth to 30 kA / cm 2 or less, it is possible to obtain an effect of sufficiently extending the element lifetime of the wavelength tunable light source.

なお、該半導体光増幅器の内部損失と等しい最大モード利得を有するときにおける発光層の利得ピーク波長λ0も、構成する外部共振器型波長可変レーザの絶対波長可変範囲を決定するためには重要なパラメータである。   The gain peak wavelength λ0 of the light emitting layer when it has the maximum mode gain equal to the internal loss of the semiconductor optical amplifier is also an important parameter for determining the absolute wavelength tunable range of the external resonator type tunable laser that constitutes the semiconductor optical amplifier. It is.

図3に、ΔRが10dBであり、外部共振器型波長可変レーザの1周回における光損失が20dBから25dBの場合、光通信で用いられるC帯、いわゆる1530nmから1570nmを波長可変範囲とするために満たすべき半導体利得媒質の特性について計算した結果を示す。   In FIG. 3, when ΔR is 10 dB and the optical loss in one round of the external cavity type wavelength tunable laser is 20 dB to 25 dB, the C band used in optical communication, so-called 1530 nm to 1570 nm, is used as the wavelength tunable range. The calculation result about the characteristic of the semiconductor gain medium which should be satisfied is shown.

図3のように、1530nmから1570nmの波長可変範囲が得られるために必要なΓLおよびλ0は、斜線の範囲に含まれていることがわかった。これによるとΓLが20ミクロン以上40ミクロン以下の実用的な範囲にある場合、少なくとも許容されるλ0の範囲が10nmになることがわかる。この波長範囲は、現在のMQW製造技術によれば、十分な歩留まりをもって実現できる許容範囲であると考えられる。よって、ΔRが10dBよりも大きな面型の反射構造を用いることにより、素子作製歩留まりを高く維持する効果を得ることができる。   As shown in FIG. 3, it was found that ΓL and λ0 necessary for obtaining a wavelength variable range from 1530 nm to 1570 nm are included in the hatched range. According to this, it can be seen that when ΓL is in a practical range of 20 microns to 40 microns, at least the allowable λ0 range is 10 nm. This wavelength range is considered to be an allowable range that can be realized with a sufficient yield according to the current MQW manufacturing technology. Therefore, an effect of maintaining a high element manufacturing yield can be obtained by using a planar reflection structure having a ΔR larger than 10 dB.

この範囲よりも波長許容範囲が狭くなると、例えば、2inchの大きさのInP基板にMOVPEで作製される成長層の製造バッチ間ばらつき、面内分布などによって、この波長内に成長層の発光波長を維持することが難しくなるため素子作製の歩留まりが低下してしまう。   If the allowable wavelength range is narrower than this range, for example, the emission wavelength of the growth layer is set within this wavelength due to variations in the production batch of the growth layer produced by MOVPE on an InP substrate having a size of 2 inches, in-plane distribution, etc. Since it becomes difficult to maintain, the yield of device fabrication is reduced.

ΔRが10dB以下の範囲にある場合、ある波長可変範囲(例えば前述の40nm)を確保するためには、ΓLの値と、λ0をある特定の範囲内になるように実現することが必要である。具体的な例を以下に示す。   When ΔR is in the range of 10 dB or less, in order to ensure a certain wavelength tunable range (for example, the above-mentioned 40 nm), it is necessary to realize the value of ΓL and λ0 within a certain range. . Specific examples are shown below.

ΔR=8dBの波長可変反射構造を用いた波長1530nm〜1570nmの可変範囲を有する外部共振器型波長可変レーザを実現するために外部共振器型波長可変レーザに搭載する活性層がMQWで構成される半導体光増幅器が満たすために必要なΓ、L、λ0の値の範囲を具体的に計算した結果を図4に示す。   In order to realize an external cavity type wavelength tunable laser having a wavelength range of 1530 nm to 1570 nm using a wavelength tunable reflection structure of ΔR = 8 dB, an active layer mounted on the external cavity type wavelength tunable laser is configured with MQW. FIG. 4 shows the result of concrete calculation of the range of values of Γ, L, and λ0 necessary for satisfying the semiconductor optical amplifier.

図4に示す範囲の上限λ0,maxと下限λ0,minは、定性的には、次のように説明される。レーザ発振時のSOAの利得ピーク波長が、波長可変反射構造のピーク波長よりも長波長側にあるときは、λ0,maxによって制限される。ΓLが大きくなると、前述の通り、ΔLossにたいしてΔgが大きくなるため、波長の許容範囲が減少する。   The upper limit λ0, max and the lower limit λ0, min of the range shown in FIG. 4 are qualitatively described as follows. When the gain peak wavelength of the SOA at the time of laser oscillation is longer than the peak wavelength of the wavelength tunable reflection structure, it is limited by λ0, max. As ΓL increases, Δg increases with respect to ΔLoss, as described above, and the allowable wavelength range decreases.

逆に、SOAの利得ピーク波長が、波長可変反射構造のピーク波長よりも短波長側にあるときにはλ0,minで制限される。この場合は、波長可変反射構造のピーク波長付近での半導体光増幅器の利得は、電流注入による変化は小さくなるため、λ0,minの値はLの変化量に大きく依存しないことになる。   Conversely, when the SOA gain peak wavelength is on the shorter wavelength side than the peak wavelength of the wavelength tunable reflection structure, the SOA is limited to λ0, min. In this case, the gain of the semiconductor optical amplifier near the peak wavelength of the wavelength tunable reflection structure is less changed by current injection, so the value of λ0, min does not greatly depend on the amount of change in L.

ΔR=6dBの場合、同様の計算を行った結果を図5に示す。このように、許容されるΓL、λ0の範囲は極めて狭くなり、これよりもΔRが小さい場合には、所望の波長可変特性の実現が難しくなる。   In the case of ΔR = 6 dB, the result of the same calculation is shown in FIG. As described above, the allowable ranges of ΓL and λ0 are extremely narrow, and when ΔR is smaller than this, it is difficult to realize a desired wavelength variable characteristic.

上記結果に加えて、ΔR=16dBの場合を計算した図6の結果、および、図3に示したΔR=10dBの計算結果から、これらのΔRの範囲で、λ0,maxおよび、λ0,minを各ΓLにおいて抽出することができる。その結果を図7および図8に示す。   In addition to the above results, from the results of FIG. 6 calculated for the case of ΔR = 16 dB and the calculation results of ΔR = 10 dB shown in FIG. 3, λ0, max and λ0, min are within the range of ΔR. It can be extracted at each ΓL. The results are shown in FIGS.

これらの計算結果を元に、外部共振器型波長可変レーザの可変範囲の最長波長をλ4とすると、前記外部共振器型波長可変レーザに内蔵する半導体光増幅器は、反射構造の反射スペクトルピークの可変範囲が波長(λ4−40)nmから波長λ4までの40nmであり、前記外部共振器型波長可変レーザの1周回の共振器ロスが20〜25dBであり、前記半導体利得領域の活性領域が多重量子井戸で構成されており、請求項1に記載のΓとLおよびΔRが、25μm < Γ×L < 35μm、かつ、6dB<ΔR <16dB を満たす場合、該半導体利得領域の内部損失と等しい最大モード利得を有するキャリア密度注入時における利得ピーク波長λ0が、−1.45×ΔR+(λ4+16)よりも大きく、かつ、(−0.14×(ΓL)+7.79)×ΔR+(−0.82×(ΓL)+λ4+20)よりも小さい範囲であることを満たすことで、残留反射を有する面型の光反射構造によって構成されていても外部共振器型波長可変レーザを実現できるといえる。   Based on these calculation results, if the longest wavelength of the variable range of the external resonator type tunable laser is λ4, the semiconductor optical amplifier built in the external resonator type tunable laser has a variable reflection spectrum peak of the reflection structure. The range is 40 nm from the wavelength (λ4-40) nm to the wavelength λ4, the cavity loss of one round of the external cavity type tunable laser is 20 to 25 dB, and the active region of the semiconductor gain region is a multiquantum The maximum mode equal to the internal loss of the semiconductor gain region when Γ, L, and ΔR according to claim 1 satisfy 25 μm <Γ × L <35 μm and 6 dB <ΔR <16 dB. The gain peak wavelength λ0 at the time of injection of carrier density with gain is larger than −1.45 × ΔR + (λ4 + 16), and (−0.14 × (ΓL) +7.7. ) × ΔR + (− 0.82 × (ΓL) + λ4 + 20) satisfying that the range is smaller than that of the external resonator type wavelength tunable laser even if the surface type light reflecting structure having residual reflection is used. It can be said that it can be realized.

また、これらの半導体光増幅器に、外部共振器型波長可変レーザの共振器内の光の位相を変化させることができる受動領域を集積すると、この受動領域に電流を注入するもしくは電圧を印可する事で外部共振器によるファブリペローモードを所望の波長に正確に合わせることが可能となるため、光通信システムで決められている波長グリッドに波長を正確にあわせることが可能となり、外部共振器型波長可変レーザをより高性能化することができる。   If these semiconductor optical amplifiers are integrated with a passive region that can change the phase of the light in the resonator of the external cavity type tunable laser, current can be injected or voltage can be applied to the passive region. Because the Fabry-Perot mode by an external resonator can be accurately adjusted to the desired wavelength, it is possible to accurately match the wavelength to the wavelength grid determined by the optical communication system. The laser can have higher performance.

また、さらに、半導体光増幅器は、外部共振器側の端面近傍の導波路が端面に対して垂直ではないものとしても良い。外部共振器型レーザでは、その内部に反射点があると複合共振器が形成されるため、レーザ発振波長を制御する事が難しくなる。外部共振器側の端面近傍の導波路を端面に対して垂直でないものとすると、その端面での反射率を下げる事ができるため、より高性能化することができる。   Further, in the semiconductor optical amplifier, the waveguide near the end face on the external resonator side may not be perpendicular to the end face. In the external resonator type laser, if there is a reflection point inside, a composite resonator is formed, so that it becomes difficult to control the laser oscillation wavelength. If the waveguide in the vicinity of the end face on the external resonator side is not perpendicular to the end face, the reflectivity at the end face can be lowered, so that higher performance can be achieved.

第1の効果は、反射スペクトルピーク波長を可変できる面型の反射構造を有し、かつ、半導体利得領域を少なくとも含む外部共振器型波長可変レーザにおいて、前記反射構造の反射スペクトルピーク波長が、該波長可変レーザの波長可変範囲に含まれる任意の波長λ1であり、レーザ発振時に前記半導体利得領域の最大利得を示す波長をλ2とし、かつ、前記反射構造の波長λ1における損失と、波長λ2における損失の差の絶対値ΔLossが、レーザ発振時における、半導体利得領域の波長λ1における利得と、波長λ2における利得の差Δg(dB)よりも大きくなる光閉じこめ定数Γおよび半導体利得領域長Lの積ΓLを有する半導体利得領域を内蔵することにより、反射スペクトルピーク波長を可変できる残留反射を有する面型の反射構造を用いても高性能化した外部共振器型波長可変レーザを提供することができる。   The first effect is that in the external cavity type wavelength tunable laser having a surface type reflection structure capable of changing the reflection spectrum peak wavelength and including at least a semiconductor gain region, the reflection spectrum peak wavelength of the reflection structure is The wavelength λ1 included in the wavelength tunable range of the wavelength tunable laser, the wavelength indicating the maximum gain of the semiconductor gain region during laser oscillation is λ2, and the loss at the wavelength λ1 and the loss at the wavelength λ2 of the reflection structure Is the product ΓL of the optical confinement constant Γ and the semiconductor gain region length L that are larger than the difference Δg (dB) between the gain at the wavelength λ2 and the gain at the wavelength λ2 at the time of laser oscillation. By incorporating a semiconductor gain region having It is possible to provide an external resonator type wavelength variable laser that performance be used.

第2の効果は、前記外部共振器型波長可変レーザに内蔵する面型の反射構造が、前記波長λ1における前記反射構造の反射率がR1(%)であり、前記波長λ2における前記反射構造の反射率がR2(%)であり、反射率差ΔR(dB)を、ΔR=10×log(R1/R2)とした場合、ΔRが10dBよりも大きくすることで、製造容易性すなわち素子作製歩留まりを高く維持する効果を得ることができる。   The second effect is that the reflection structure of the surface type reflection structure incorporated in the external resonator type wavelength tunable laser has a reflectance of R1 (%) at the wavelength λ1, and the reflection structure of the reflection structure at the wavelength λ2. When the reflectivity is R2 (%) and the reflectivity difference ΔR (dB) is ΔR = 10 × log (R1 / R2), by making ΔR larger than 10 dB, the manufacturability, that is, the device manufacturing yield. The effect of maintaining high can be obtained.

第3の効果は、前記外部共振器型波長可変レーザの発振閾電流密度Jthが30kA/cm2以下になるようなΓとLを有する半導体利得領域を内蔵することにより、前記波長可変光源の素子寿命を十分長くする効果を得ることができる。   The third effect is that an element lifetime of the wavelength tunable light source is obtained by incorporating a semiconductor gain region having Γ and L such that the oscillation threshold current density Jth of the external resonator type wavelength tunable laser is 30 kA / cm 2 or less. The effect of making the length sufficiently long can be obtained.

第4の効果は、これらの半導体光増幅器に、外部共振器型波長可変レーザの共振器内の光の位相を変化させることができる受動領域を集積するように構成することで、外部共振器によるファブリペローモードを所望の波長に正確に合わせることが可能とし、光通信システムで規定されている波長グリッドに波長を正確にあわせることが可能となり、より高性能な外部共振器型波長可変レーザを提供することができる。   The fourth effect is that these semiconductor optical amplifiers are configured to integrate a passive region capable of changing the phase of light in the resonator of the external resonator type wavelength tunable laser, thereby providing an external resonator. Fabry-Perot mode can be precisely adjusted to the desired wavelength, and the wavelength can be accurately adjusted to the wavelength grid defined in the optical communication system, providing a higher-performance external cavity tunable laser can do.

第5の効果は、これらの半導体光増幅器の外部共振器側の端面近傍の導波路が端面に対して垂直ではないものとするように構成することで、レーザ発振波長の制御を難しくする原因の一つである外部共振器内部の不要な反射率を下げる事が可能となり、より波長制御が容易な、より高性能化な外部共振器型波長可変レーザを提供することができる。   The fifth effect is that it is difficult to control the laser oscillation wavelength by making the waveguide in the vicinity of the end face on the external resonator side of these semiconductor optical amplifiers not perpendicular to the end face. It is possible to reduce the unnecessary reflectivity inside one external resonator, and it is possible to provide a high-performance external resonator type wavelength tunable laser with easier wavelength control.

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図9は、最良の実施形態による外部共振器型波長可変レーザの構成を示す図である。   FIG. 9 is a diagram showing a configuration of an external resonator type tunable laser according to the best embodiment.

外部共振器型可変レーザは、基本構成として、半導体利得領域である半導体素子1と反射スペクトルピーク波長を可変できる面型の反射構造である波長可変フィルタ2を有している。半導体素子1は、能動素子である半導体光増幅器3に、受動素子である位相調整領域4が集積されている。半導体素子1は、半導体光増幅器3側を光出力側としており、その端面には、低反射コーティング5(1%から10%の反射率)が施されている。また、半導体素子1は、位相調整領域4側を外部共振器側としており、その端面には無反射コーティング6(1%以下の反射率)が施されている。なお、位相調整領域4側を光出力側としてもよい。   The external resonator type variable laser has, as a basic configuration, a semiconductor element 1 that is a semiconductor gain region and a wavelength tunable filter 2 that is a surface type reflection structure capable of changing a reflection spectrum peak wavelength. The semiconductor element 1 includes a semiconductor optical amplifier 3 that is an active element and a phase adjustment region 4 that is a passive element. The semiconductor element 1 has the semiconductor optical amplifier 3 side as the light output side, and a low reflection coating 5 (reflectance of 1% to 10%) is applied to the end face thereof. Moreover, the semiconductor element 1 has the phase adjustment region 4 side as the external resonator side, and an antireflection coating 6 (reflectance of 1% or less) is applied to the end face. The phase adjustment region 4 side may be the light output side.

半導体光増幅器3は、多重量子井戸(MQW)で構成されており、電流注入をおこなうことによって、光を発生し、増幅する。   The semiconductor optical amplifier 3 is composed of multiple quantum wells (MQW), and generates and amplifies light by performing current injection.

位相調整領域4はバルク組成または多重量子井戸で構成されており、レーザ発振光を吸収しない程度にバンドギャップが広く設定されている。この位相調整領域4は、電流注入または電圧印加により屈折率が変化し、レーザの位相を変化させることができる。   The phase adjustment region 4 is composed of a bulk composition or multiple quantum wells, and has a wide band gap that does not absorb laser oscillation light. In the phase adjustment region 4, the refractive index is changed by current injection or voltage application, and the phase of the laser can be changed.

半導体光増幅器3と位相調整領域4とは、電気的に十分に隔離されており、お互いに干渉しないように配慮されている。具体的には、半導体光増幅器3と位相調整領域4とは1キロオーム以上の分離抵抗で隔離されている。   The semiconductor optical amplifier 3 and the phase adjustment region 4 are electrically separated sufficiently so that they do not interfere with each other. Specifically, the semiconductor optical amplifier 3 and the phase adjustment region 4 are separated by a separation resistor of 1 kilohm or more.

半導体素子1の外部共振器側には、波長可変反射構造2が配置されている。波長可変反射構造2と半導体素子1の間にコリメートレンズ7が配置されている。コリメートレンズ7は、半導体素子1からの光ビームを平行光に変換する。そして、コリメートレンズ7で平行になったビームは次に波長可変反射構造2にあたって反射され、もとの半導体素子1にフィードバックされる。   A wavelength tunable reflection structure 2 is disposed on the external resonator side of the semiconductor element 1. A collimating lens 7 is disposed between the wavelength variable reflection structure 2 and the semiconductor element 1. The collimating lens 7 converts the light beam from the semiconductor element 1 into parallel light. The beam collimated by the collimator lens 7 is then reflected by the wavelength tunable reflection structure 2 and fed back to the original semiconductor element 1.

このように構成された外部共振器型波長可変レーザにおいて、半導体素子1に含まれる半導体光増幅器3に本特許で開示した手法を適用することにより、反射スペクトルピーク波長を可変できる面型の反射構造である波長可変反射構造を用いていても、少なくとも光ファイバ通信におけるC帯、L帯のいずれか1つの波長可変範囲を有することができる。   In the external resonator type wavelength tunable laser configured as described above, by applying the technique disclosed in this patent to the semiconductor optical amplifier 3 included in the semiconductor element 1, a surface type reflection structure capable of changing the reflection spectrum peak wavelength. Even if the wavelength tunable reflection structure is used, at least one wavelength tunable range of C band and L band in optical fiber communication can be provided.

一般にΔR<20dBである、反射スペクトルピーク波長を可変できる面型の反射構造である波長可変反射構造によって構成された外部共振器型波長可変レーザで、波長可変反射構造の反射スペクトルピーク近傍の波長λ1で発振するために半導体光増幅器が満たすべき条件は、波長可変反射構造の波長λ1における損失と波長λ2における損失との差の絶対値ΔLossが、波長λ1における半導体光増幅器の利得と波長λ2における半導体光増幅器の利得との差Δgよりも大きくすることである。   In general, an external resonator type wavelength tunable laser configured by a wavelength tunable reflection structure which is a surface type reflection structure capable of varying a reflection spectrum peak wavelength, where ΔR <20 dB, and a wavelength λ1 in the vicinity of the reflection spectrum peak of the wavelength tunable reflection structure The condition to be satisfied by the semiconductor optical amplifier in order to oscillate at is that the absolute value ΔLoss of the difference between the loss at the wavelength λ1 and the loss at the wavelength λ2 of the wavelength tunable reflection structure is the gain of the semiconductor optical amplifier at the wavelength λ1 and the semiconductor at the wavelength λ2. The difference is to be larger than the difference Δg with the gain of the optical amplifier.

それを実現するには、まず、活性層として使用するその活性層材料から予想される、もしくは、実際に作製し、測定されたMQWの利得の注入電流密度依存性を求めることが必要である。この結果を基に、外部共振器型波長可変レーザのミラー損失、目的とする波長可変レーザの動作波長範囲から、半導体光増幅器が満たすべきΓLおよびλ0の値の範囲を導出する。   In order to realize this, it is necessary to first determine the dependence of the gain of MQW on the injection current density that is expected from the active layer material used as the active layer or actually manufactured and measured. Based on this result, the range of values of ΓL and λ0 to be satisfied by the semiconductor optical amplifier is derived from the mirror loss of the external cavity type tunable laser and the operating wavelength range of the target tunable laser.

ΔR=16dBの場合に、C帯(1530〜1570nm)の波長可変範囲を得られるΓLとλ0の範囲は図6に示されている。   FIG. 6 shows the ranges of ΓL and λ0 for obtaining the wavelength variable range of the C band (1530 to 1570 nm) when ΔR = 16 dB.

ΔR=10dBの場合に同様に得られる範囲は図3に示されている。   The range obtained similarly in the case of ΔR = 10 dB is shown in FIG.

ΔR=8dBの場合に同様に得られる範囲は図4に示されている。   The range similarly obtained in the case of ΔR = 8 dB is shown in FIG.

ΔR=6dBの場合に同様に得られる範囲は図5に示されている。   The range similarly obtained when ΔR = 6 dB is shown in FIG.

そのほかのΔRの値の場合は、λ0の範囲は、図7、図8で算出されるλ0,minとλ0,maxの間の値になる。   In the case of other values of ΔR, the range of λ0 is a value between λ0, min and λ0, max calculated in FIGS.

使用する波長可変フィルタのΔRの値に応じて、この範囲に含まれるΓLおよびλ0となる半導体光増幅器を用いればよい。   A semiconductor optical amplifier having ΓL and λ0 included in this range may be used according to the value of ΔR of the wavelength tunable filter to be used.

なお、本実施の形態では、レーザ発振波長を、波長可変反射構造7の最大反射ピーク波長に完全に一致させることで、光通信システムで決められている波長グリッドに波長を正確にあわせることが可能である。発振波長を一致させるには、外部共振器内に設けられた位相調整領域4に電流を流して屈折率を変化させることによって実現する。   In the present embodiment, it is possible to accurately match the wavelength to the wavelength grid determined by the optical communication system by making the laser oscillation wavelength completely coincide with the maximum reflection peak wavelength of the wavelength variable reflection structure 7. It is. Matching the oscillation wavelength is realized by changing the refractive index by passing a current through the phase adjustment region 4 provided in the external resonator.

また、本実施の形態において、光出力側の低反射コーティング4の反射率を1〜10%とした理由は、反射率が1%未満になると、レーザしきい値が上昇して、高い光出力が得られなくなり、さらに反射率を10%より高くした場合には、低反射コーティング4の透過率が90%未満となって、やはり高い光出力が得られないためである。
(製法の説明)
次に、最良の実施の形態の製造方法を説明する。
In the present embodiment, the reason why the reflectivity of the low-reflection coating 4 on the light output side is set to 1 to 10% is that when the reflectivity is less than 1%, the laser threshold value is increased to increase the light output. This is because when the reflectance is higher than 10%, the transmittance of the low-reflection coating 4 is less than 90%, and a high light output cannot be obtained.
(Description of manufacturing method)
Next, the manufacturing method of the best embodiment will be described.

最初に、半導体素子1の製造方法を説明する。半導体素子1は、半導体光増幅器3と位相調整領域4がモノリシック集積されている。この集積には、公知のバットジョイント技術を用いて作製してもよいし、公知の選択成長技術を用いて作製してもよい。バットジョイント技術を用いる場合は例えば次のような作製方法を行う。   First, a method for manufacturing the semiconductor element 1 will be described. In the semiconductor element 1, a semiconductor optical amplifier 3 and a phase adjustment region 4 are monolithically integrated. For this integration, a known butt joint technique may be used, or a known selective growth technique may be used. When using the butt joint technology, for example, the following manufacturing method is performed.

まず半導体光増幅器として用いるMQW構造を成長する。その際、用いる波長可変反射構造の残留反射率ΔRを元に、適した前記ΓL、λ0を満たすようなMQW構造になるように成長を行う。光閉じこめ構造から導波モードを計算し、Γを算出すればよい。活性層としてMQWを用いる場合、おおよそ1層あたり0.007〜0.009程度になることが多いので、その値で近似することもできる。通常、井戸層数として3〜10程度を用いることができる。また、MQWを成長する際、通常PL(フォトルミネッセンス)のピーク波長を基準に、このMQW活性層の利得の絶対波長λ0を推定する。PL波長は、その測定系の励起光源の強さやMQWの発光効率などによって異なるので、あらかじめλ0との相関を調べておく必要がある。通常、PL波長のほうが20〜30nm程度短いことが多い。   First, an MQW structure used as a semiconductor optical amplifier is grown. At this time, the growth is performed so as to obtain an MQW structure satisfying the appropriate ΓL and λ0 based on the residual reflectance ΔR of the wavelength tunable reflection structure to be used. The guided mode is calculated from the optical confinement structure, and Γ may be calculated. When MQW is used as the active layer, it is often about 0.007 to 0.009 per layer, and can be approximated by that value. Usually, about 3 to 10 can be used as the number of well layers. When growing MQW, the absolute wavelength λ0 of the gain of this MQW active layer is estimated based on the peak wavelength of normal PL (photoluminescence). Since the PL wavelength varies depending on the intensity of the excitation light source of the measurement system and the emission efficiency of MQW, it is necessary to investigate the correlation with λ0 in advance. Usually, the PL wavelength is often shorter by about 20 to 30 nm.

こうして、作製したMQW構造の一部を、ウェットエッチングもしくはドライエッチングによって取り除き、新たに位相調整領域となる、光導波路構造を成長する。この構造は、半導体光増幅器の出す光から十分短波長化し、この領域での吸収を小さくする必要がある。その構造は、バルク構造でもMQW構造でも良い。   In this way, a part of the fabricated MQW structure is removed by wet etching or dry etching, and an optical waveguide structure that newly becomes a phase adjustment region is grown. In this structure, it is necessary to shorten the wavelength sufficiently from the light emitted from the semiconductor optical amplifier and reduce the absorption in this region. The structure may be a bulk structure or an MQW structure.

なお、最初に位相調整領域を成長し、不必要な部分を取り除いた後、半導体光増幅器のMQW構造を成長して良い。   Note that the MQW structure of the semiconductor optical amplifier may be grown after first growing the phase adjustment region and removing unnecessary portions.

その後、SiO2などの誘電体をマスクにしてドライエッチングもしくはウェットエッチングで光導波路となる領域を残して不要な領域を取り除く。光導波路の幅はおおよそ0.5μmから2μm程度が望ましい。この際、ブロック構造にリークした電子やホールを再結合させる領域を残しても良い。   Thereafter, unnecessary regions are removed by leaving a region to be an optical waveguide by dry etching or wet etching using a dielectric such as SiO 2 as a mask. The width of the optical waveguide is preferably about 0.5 μm to 2 μm. At this time, a region for recombining electrons and holes leaked to the block structure may be left.

次にInPによるpnpブロック構造を成長し、必要に応じてp−InPクラッド成長を行う。   Next, a pnp block structure of InP is grown, and p-InP cladding growth is performed as necessary.

成長後、電気抵抗の小さな層をエッチングなどで取り除く事で半導体光増幅器と位相調整領域を電気的に分離する。次にSiO2などの誘電体を堆積した後、エッチングなどにより電流注入領域を作製する。その後p電極を堆積し、不要な領域の電極を取り除いた後、基板を研磨で薄くし、裏面にn電極を堆積する。   After the growth, the semiconductor optical amplifier and the phase adjustment region are electrically separated by removing a layer having a small electric resistance by etching or the like. Next, after depositing a dielectric such as SiO2, a current injection region is formed by etching or the like. After that, a p-electrode is deposited, and unnecessary electrodes are removed. Then, the substrate is thinned by polishing, and an n-electrode is deposited on the back surface.

半導体素子は、劈開によりバー状態、すなわち半導体素子が複数個横に接続された状態に切断する。その際、前記ΓLが所望の値を満たす共振器長Lになるように切断し、劈開端面にコーティングを行う。通常Lの長さとして、200〜1000μm程度にすることが多い。半導体光増幅器3側を光出力側とする場合、その端面には、誘電体の多層膜を堆積する事で低反射コーティング5を行う。反対側の位相調整領域4側を外部共振器側とする場合、その端面にも別の誘電体の多層膜を堆積する事で無反射コーティング6を行う。   The semiconductor element is cut into a bar state by cleavage, that is, a state in which a plurality of semiconductor elements are connected horizontally. At that time, the ΓL is cut so as to have a resonator length L satisfying a desired value, and the cleavage end face is coated. Usually, the length of L is often about 200 to 1000 μm. When the semiconductor optical amplifier 3 side is the light output side, a low reflection coating 5 is performed on the end face by depositing a dielectric multilayer film. When the opposite phase adjustment region 4 side is the external resonator side, the antireflection coating 6 is performed by depositing another dielectric multilayer film on the end face.

その後、半導体素子を1つずつに分割し、波長可変反射構造2、コリメートレンズ7と共に、サブキャリア上に搭載する。その際、半導体素子は電流を流して光を放出させ、光線が直線的に進行するように正確に配置する。   Thereafter, the semiconductor elements are divided one by one and mounted on the subcarrier together with the variable wavelength reflection structure 2 and the collimating lens 7. At this time, the semiconductor element is arranged accurately so that a current flows to emit light and the light beam travels linearly.

以上の工程をもって外部共振器型波長可変レーザを作製することができる。
(発明の他の実施の形態)
前述した以外の構成群によって波長可変反射構造機能を実現する場合も、反射スペクトルピーク波長を可変できる面型の反射構造を用いる場合には、同様に本発明による効果が期待できる。
The external cavity type wavelength tunable laser can be manufactured through the above steps.
(Another embodiment of the invention)
Even when the wavelength tunable reflection structure function is realized by a configuration group other than those described above, the effect of the present invention can be similarly expected when a surface type reflection structure capable of changing the reflection spectrum peak wavelength is used.

波長可変範囲として、C帯(1530〜1570nm)によって説明したが、これはその他の波長帯、たとえばS帯やL帯の光通信においても同様に適用できる。   Although the C band (1530 to 1570 nm) has been described as the wavelength variable range, this can be similarly applied to optical communication in other wavelength bands, for example, the S band and the L band.

半導体素子1に集積された位相調整領域4は、半導体光増幅器とモノリシック集積されている必要はなく、独立した部品として外部共振器内に存在しても良いし、半導体光増幅器もしくは波長可変反射構造を公知であるピエゾ素子などによってわずかに移動させることで実現する事も可能である。   The phase adjustment region 4 integrated in the semiconductor element 1 does not need to be monolithically integrated with the semiconductor optical amplifier, and may exist in the external resonator as an independent component, or may be a semiconductor optical amplifier or a wavelength tunable reflection structure. It is also possible to realize this by slightly moving the lens with a known piezo element or the like.

また、半導体光増幅器は、外部共振器側の端面近傍の導波路が端面に対して垂直ではないものとしても良い。外部共振器型レーザでは、その内部に反射点があると複合共振器が形成されるため、レーザ発振波長を制御する事が難しくなる。外部共振器側の端面近傍の導波路を端面に対して垂直でないものとすると、その端面での反射率を下げる事ができるため、より高性能化することができる。   In the semiconductor optical amplifier, the waveguide near the end face on the external resonator side may not be perpendicular to the end face. In the external resonator type laser, if there is a reflection point inside, a composite resonator is formed, so that it becomes difficult to control the laser oscillation wavelength. If the waveguide in the vicinity of the end face on the external resonator side is not perpendicular to the end face, the reflectivity at the end face can be lowered, so that higher performance can be achieved.

以下、本発明の第1の実施例について図面を参照して説明する。   A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図10は本発明の第1の実施例となる外部共振器型波長可変レーザ装置の構成を示す図である。   FIG. 10 is a diagram showing the configuration of an external resonator type wavelength tunable laser device according to the first embodiment of the present invention.

本実施例の外部共振器型波長可変レーザ装置は、半導体光増幅器3を含む半導体素子1と、コリメートレンズ7、面型の波長選択フィルタ8、C帯(1530〜1570nm)を動作範囲とする波長可変反射構造2とから構成されている。この波長可変反射構造のΔRは8dBである。   The external resonator type wavelength tunable laser device of this embodiment has a wavelength in which the semiconductor element 1 including the semiconductor optical amplifier 3, the collimating lens 7, the surface type wavelength selection filter 8, and the C band (1530 to 1570 nm) are in the operating range. The variable reflection structure 2 is used. ΔR of this wavelength tunable reflection structure is 8 dB.

半導体素子1は、半導体光増幅器3と位相調整領域4がモノリシック集積されている。この集積はバットジョイント技術を用いて作製を行った。   In the semiconductor element 1, a semiconductor optical amplifier 3 and a phase adjustment region 4 are monolithically integrated. This integration was made using butt joint technology.

まず半導体光増幅器として用いるMQW構造を、成長圧力98.6kPa、成長温度625℃で、6層のMQW層(井戸は1.58μm組成圧縮歪InGaAsP、障壁は1.2μm組成InGaAsP)を成長した。この層の前後にSCH(分離閉じこめヘテロ構造)を配し、井戸領域のΓは0.05である。共振器長Lを600μmとすることで、ΓLを30μmとすることができる。事前の検討により、このMQW構造から得られるPL波長λPLとλ0の差は、λ0―λPL=26nmであることがわかっている。そこで、MQW層のPL波長を、1560nmとなるように成長を行った。   First, an MQW structure used as a semiconductor optical amplifier was grown with a growth pressure of 98.6 kPa and a growth temperature of 625 ° C., and six MQW layers (a well has a 1.58 μm composition compression strained InGaAsP and a barrier has a 1.2 μm composition InGaAsP). SCH (separate confinement heterostructure) is arranged before and after this layer, and Γ of the well region is 0.05. By setting the resonator length L to 600 μm, ΓL can be set to 30 μm. From prior studies, it is known that the difference between the PL wavelengths λPL and λ0 obtained from this MQW structure is λ0−λPL = 26 nm. Therefore, growth was performed so that the PL wavelength of the MQW layer was 1560 nm.

このようにする事で、図4に示される斜線部分の半導体光増幅器を得る事ができる。   By doing in this way, the semiconductor optical amplifier of the shaded part shown in FIG. 4 can be obtained.

次に、作製したMQW構造の一部を、ドライエッチングによって取り除き、新たに位相調整領域となる、光導波路構造を成長圧力98.6kPa、成長温度625℃の条件で成長した。光導波路構造はコアとしてバルク構造を有し、その厚さを170nmとし、PL波長1.3μmの組成とした。   Next, a part of the fabricated MQW structure was removed by dry etching, and an optical waveguide structure that newly became a phase adjustment region was grown under conditions of a growth pressure of 98.6 kPa and a growth temperature of 625 ° C. The optical waveguide structure has a bulk structure as a core, has a thickness of 170 nm, and a composition with a PL wavelength of 1.3 μm.

その後、SiO2などの誘電体を堆積し、光導波路となるストライプ部分とブロック構造にリークした電子やホールを再結合させる部分をマスクとして、ドライエッチングによって深さ2μmの溝をエッチングし不要な領域を取り除いた。光導波路の幅は1.5μmとした。   After that, a dielectric such as SiO2 is deposited, and a trench having a depth of 2 μm is etched by dry etching using a stripe portion serving as an optical waveguide and a portion where electrons and holes leaking to the block structure are recombined as a mask. Removed. The width of the optical waveguide was 1.5 μm.

次にInPによる層厚2μmのpnpブロック構造を成長し、SIO2マスクを除去後、全面成長により層厚2μmのp−InPクラッド層、層厚0.3μmのp+−InGaAsコンタクト層を成長圧力13.3kPaにおいて成長した。その後半導体光増幅器と位相調整領域を電気的に分離するため、コンタクト層を除去し、全面にSiO2膜を成膜し、電流注入用窓を形成し、Cr/Au上部p電極をスパッタ法で堆積し、パターニングにより各領域毎に電極を分離した。基板を研磨後、AuGeNi下部電極をスパッタ法で成膜した。その後、半導体光増幅器領域600μm、位相調整領域200μmとなるようにへき開した。 最後に、半導体光増幅器3側を光出力側とするために、その端面には、誘電体の多層膜を堆積する事で低反射コーティング5を行った。反対側の位相調整領域4側を外部共振器側とするために、その端面にも別の誘電体の多層膜を堆積する事で無反射コーティング6を行った。   Next, a pnp block structure having a thickness of 2 μm is grown by InP, and after removing the SIO2 mask, a p-InP cladding layer having a thickness of 2 μm and a p + -InGaAs contact layer having a thickness of 0.3 μm are grown by growing the entire surface. Grown at 3 kPa. Thereafter, in order to electrically isolate the semiconductor optical amplifier and the phase adjustment region, the contact layer is removed, a SiO2 film is formed on the entire surface, a current injection window is formed, and a Cr / Au upper p-electrode is deposited by sputtering. Then, the electrodes were separated for each region by patterning. After polishing the substrate, an AuGeNi lower electrode was formed by sputtering. Thereafter, cleavage was performed so that the semiconductor optical amplifier region was 600 μm and the phase adjustment region was 200 μm. Finally, in order to set the semiconductor optical amplifier 3 side to the light output side, a low reflection coating 5 was performed by depositing a dielectric multilayer film on the end face. In order to set the opposite phase adjustment region 4 side to the external resonator side, the antireflection coating 6 was performed by depositing another dielectric multilayer film on the end face.

その後半導体素子を1つずつに分割し、波長可変反射構造2、コリメートレンズ7、波長選択フィルタ8と共に、サブキャリア9上に搭載する。その際、半導体素子は電流を流して光を放出させ、光線が直線的に進行するように正確に配置し、外部共振器型波長可変レーザを作製した。   Thereafter, the semiconductor elements are divided one by one and mounted on the subcarrier 9 together with the variable wavelength reflection structure 2, the collimating lens 7, and the wavelength selection filter 8. At that time, the semiconductor element was caused to emit light by passing an electric current, and was arranged accurately so that the light beam traveled linearly, and an external resonator type wavelength tunable laser was manufactured.

この外部共振器型波長可変レーザは、1525nm〜1568nmの間で波長を可変することができ、すべての波長域で、閾値20mA以下で発振した。位相調整領域に電流を8mA程度注入する事により光通信システムで定められた波長において光強度を最大に調整することができた。また最大光出力はファイバ結合光出力で32mWと良好な特性を示し、本発明による方法で十分な波長可変機能を得る事ができた。   This external cavity type wavelength tunable laser can vary the wavelength between 1525 nm and 1568 nm, and oscillates at a threshold of 20 mA or less in all wavelength regions. By injecting a current of about 8 mA into the phase adjustment region, the light intensity could be adjusted to the maximum at the wavelength determined by the optical communication system. Further, the maximum light output was as good as 32 mW as the fiber coupled light output, and a sufficient wavelength variable function could be obtained by the method of the present invention.

以下、本発明の第2の実施例について図面を参照して説明する。   A second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図11は本発明の第2の実施例となる外部共振器型波長可変レーザ装置の構成を示す図である。   FIG. 11 is a diagram showing a configuration of an external resonator type wavelength tunable laser device according to a second embodiment of the present invention.

本実施例の外部共振器型波長可変レーザ装置は、半導体光増幅器3を含む半導体素子1と、コリメートレンズ7、波長選択フィルタ8、L帯(1570〜1610)nmを動作範囲とする波長可変フィルタ10および全反射ミラー11とから構成されている。この波長可変フィルタと全反射ミラーで形成される波長可変反射構造のΔRは6dBである。   The external resonator type wavelength tunable laser device of this embodiment includes a semiconductor element 1 including a semiconductor optical amplifier 3, a collimating lens 7, a wavelength selection filter 8, and a wavelength tunable filter having an L band (1570 to 1610) nm operating range. 10 and a total reflection mirror 11. ΔR of the wavelength tunable reflecting structure formed by the wavelength tunable filter and the total reflection mirror is 6 dB.

半導体素子1は、半導体光増幅器3と位相調整領域4がモノリシック集積されている。この集積はバットジョイント技術を用いて作製を行った。   In the semiconductor element 1, a semiconductor optical amplifier 3 and a phase adjustment region 4 are monolithically integrated. This integration was made using butt joint technology.

まず半導体光増幅器として用いるMQW構造を、成長圧力98.6kPa、成長温度625℃で、8層のMQW層(井戸は1.62μm組成圧縮歪InGaAsP、障壁は1.24μm組成InGaAsP)を成長した。この層の前後にSCHを配し、井戸領域のΓは0.067である。共振器長Lを400μmとすることで、ΓLを26.8μmとすることができる。事前の検討により、このMQW構造から得られるPL波長λPLとλ0の差は、λ0―λPL=26nmであることがわかっている。そこで、MQW層のPL波長を、1600nmとなるように成長を行った。   First, an MQW structure used as a semiconductor optical amplifier was grown at a growth pressure of 98.6 kPa, a growth temperature of 625 ° C., and eight MQW layers (a well has a 1.62 μm composition compression strained InGaAsP and a barrier has a 1.24 μm composition InGaAsP). SCH is arranged before and after this layer, and Γ of the well region is 0.067. By setting the resonator length L to 400 μm, ΓL can be set to 26.8 μm. From prior studies, it is known that the difference between the PL wavelengths λPL and λ0 obtained from this MQW structure is λ0−λPL = 26 nm. Therefore, the MQW layer was grown so that the PL wavelength was 1600 nm.

このようにする事で、図5に示される斜線部分の半導体光増幅器を得る事ができる。図5で示される範囲に対して、波長の絶対値を+40nmシフトさせれば良い。   By doing in this way, the semiconductor optical amplifier of the shaded part shown in FIG. 5 can be obtained. The absolute value of the wavelength may be shifted +40 nm with respect to the range shown in FIG.

次に、作製したMQW構造の一部を、ドライエッチングによって取り除き、新たに位相調整領域となる、光導波路構造を成長圧力98.6kPa、成長温度625℃の条件で成長した。光導波路構造はコアとしてバルク構造を有し、その厚さを170nmとし、PL波長1.3μmの組成とした。   Next, a part of the fabricated MQW structure was removed by dry etching, and an optical waveguide structure that newly became a phase adjustment region was grown under conditions of a growth pressure of 98.6 kPa and a growth temperature of 625 ° C. The optical waveguide structure has a bulk structure as a core, has a thickness of 170 nm, and a composition with a PL wavelength of 1.3 μm.

その後、SiO2などの誘電体を堆積し、光導波路となるストライプ部分とブロック構造にリークした電子やホールを再結合させる部分をマスクとして、ドライエッチングによって深さ2μmの溝をエッチングし不要な領域を取り除いた。光導波路の幅は1.5μmとした。   After that, a dielectric such as SiO2 is deposited, and a trench having a depth of 2 μm is etched by dry etching using a stripe portion serving as an optical waveguide and a portion where electrons and holes leaking to the block structure are recombined as a mask. Removed. The width of the optical waveguide was 1.5 μm.

次にInPによる層厚2μmのpnpブロック構造を成長し、SIO2マスクを除去後、全面成長により層厚2μmのp−InPクラッド層、層厚0.3μmのp+−InGaAsコンタクト層を成長圧力13.3kPaにおいて成長した。その後半導体光増幅器と位相調整領域を電気的に分離するため、コンタクト層を除去し、全面にSiO2膜を成膜し、電流注入用窓を形成し、Cr/Au上部p電極をスパッタ法で堆積し、パターニングにより各領域毎に電極を分離した。基板を研磨後、AuGeNi下部電極をスパッタ法で成膜した。その後、半導体光増幅器領域400μm、位相調整領域150μmとなるようにへき開した。 最後に、半導体光増幅器3側を光出力側とするために、その端面には、誘電体の多層膜を堆積する事で低反射コーティング5を行った。反対側の位相調整領域4側を外部共振器側とするために、その端面にも別の誘電体の多層膜を堆積する事で無反射コーティング6を行った。   Next, a pnp block structure having a thickness of 2 μm is grown by InP, and after removing the SIO2 mask, a p-InP cladding layer having a thickness of 2 μm and a p + -InGaAs contact layer having a thickness of 0.3 μm are grown by growing the entire surface. Grown at 3 kPa. Thereafter, in order to electrically isolate the semiconductor optical amplifier and the phase adjustment region, the contact layer is removed, a SiO2 film is formed on the entire surface, a current injection window is formed, and a Cr / Au upper p-electrode is deposited by sputtering. Then, the electrodes were separated for each region by patterning. After polishing the substrate, an AuGeNi lower electrode was formed by sputtering. Thereafter, cleavage was performed so that the semiconductor optical amplifier region was 400 μm and the phase adjustment region was 150 μm. Finally, in order to set the semiconductor optical amplifier 3 side to the light output side, a low reflection coating 5 was performed by depositing a dielectric multilayer film on the end face. In order to set the opposite phase adjustment region 4 side to the external resonator side, the antireflection coating 6 was performed by depositing another dielectric multilayer film on the end face.

その後半導体素子を1つずつに分割し、波長可変フィルタ10、全反射ミラー11、コリメートレンズ7、波長選択フィルタ8と共に、サブキャリア9上に搭載する。その際、半導体素子は電流を流して光を放出させ、光線が直線的に進行するように正確に配置し、外部共振器型波長可変レーザを作製した。   Thereafter, the semiconductor elements are divided one by one and mounted on the subcarrier 9 together with the wavelength tunable filter 10, the total reflection mirror 11, the collimator lens 7, and the wavelength selection filter 8. At that time, the semiconductor element was caused to emit light by passing an electric current, and was arranged accurately so that the light beam traveled linearly, and an external resonator type wavelength tunable laser was manufactured.

この外部共振器型波長可変レーザは、1575nm〜1615nmの間で波長を可変することができ、すべての波長域で、閾値25mA以下で発振した。位相調整領域に電流を10mA程度注入する事により光通信システムで定められた波長において光強度を最大に調整することができた。また最大光出力はファイバ結合光出力で30mWと良好な特性を示し、本発明による方法で十分な波長可変機能を得る事ができた。   This external cavity type wavelength tunable laser can vary the wavelength between 1575 nm and 1615 nm, and oscillates at a threshold of 25 mA or less in all wavelength regions. By injecting a current of about 10 mA into the phase adjustment region, the light intensity could be adjusted to the maximum at the wavelength determined by the optical communication system. Further, the maximum light output was 30 mW as a fiber coupled light output, and a satisfactory wavelength variable function could be obtained by the method of the present invention.

以下、本発明の第3の実施例について図面を参照して説明する。   A third embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図12は本発明の第3の実施例となる外部共振器型波長可変レーザ装置の構成を示す図である。   FIG. 12 is a diagram showing a configuration of an external resonator type wavelength tunable laser device according to a third embodiment of the present invention.

本実施例の外部共振器型波長可変レーザ装置は、半導体光増幅器3を含む半導体素子1と、コリメートレンズ7、波長選択フィルタ8、C帯(1530〜1570nm)を動作範囲とする波長可変反射構造2とから構成されている。この波長可変反射構造の、ΔRは8dBである。   The external resonator type wavelength tunable laser device of this embodiment includes a semiconductor element 1 including a semiconductor optical amplifier 3, a collimating lens 7, a wavelength selection filter 8, and a wavelength tunable reflection structure having an operating range of C band (1530 to 1570 nm). 2. ΔR of this variable wavelength reflection structure is 8 dB.

半導体素子1は、半導体光増幅器3と位相調整領域4がモノリシック集積されており、両領域の光出射端は端面に対して7度傾けてある。この集積はバットジョイント技術を用いて作製を行った。   In the semiconductor element 1, the semiconductor optical amplifier 3 and the phase adjustment region 4 are monolithically integrated, and the light emitting ends of both regions are inclined by 7 degrees with respect to the end face. This integration was made using butt joint technology.

まず半導体光増幅器として用いるMQW構造を、成長圧力98.6kPa、成長温度625℃で、8層のMQW層(井戸は1.58μm組成圧縮歪InGaAsP、障壁は1.2μm組成InGaAsP)を成長した。この層の前後にSCHを配し、井戸領域のΓは0.066である。共振器長Lを450μmとすることで、ΓLを30μmとすることができる。事前の検討により、このMQW構造から得られるPL波長λPLとλ0の差は、λ0―λPL=26nmであることがわかっている。そこで、MQW層のPL波長を、1560nmとなるように成長を行った。   First, an MQW structure used as a semiconductor optical amplifier was grown at a growth pressure of 98.6 kPa and a growth temperature of 625 ° C., with eight MQW layers (well: 1.58 μm composition compression strained InGaAsP, barrier: 1.2 μm composition InGaAsP). SCH is arranged before and after this layer, and Γ of the well region is 0.066. By setting the resonator length L to 450 μm, ΓL can be set to 30 μm. From prior studies, it is known that the difference between the PL wavelengths λPL and λ0 obtained from this MQW structure is λ0−λPL = 26 nm. Therefore, growth was performed so that the PL wavelength of the MQW layer was 1560 nm.

このようにする事で、図4に示される斜線部分の半導体光増幅器を得る事ができる。   By doing in this way, the semiconductor optical amplifier of the shaded part shown in FIG. 4 can be obtained.

次に、作製したMQW構造の一部を、ドライエッチングによって取り除き、新たに位相調整領域となる、光導波路構造を成長圧力98.6kPa、成長温度625℃の条件で成長した。光導波路構造はコアとしてバルク構造を有し、その厚さを170nmとし、PL波長1.3μmの組成とした。   Next, a part of the fabricated MQW structure was removed by dry etching, and an optical waveguide structure that newly became a phase adjustment region was grown under conditions of a growth pressure of 98.6 kPa and a growth temperature of 625 ° C. The optical waveguide structure has a bulk structure as a core, has a thickness of 170 nm, and a composition with a PL wavelength of 1.3 μm.

その後、SiO2などの誘電体を堆積し、光導波路となるストライプ部分とブロック構造にリークした電子やホールを再結合させる部分をマスクとして、ドライエッチングによって深さ2μmの溝をエッチングし不要な領域を取り除いた。光導波路の幅は1.5μmとし、劈開位置で導波路が端面から7度傾くように曲率半径1mmで滑らかに導波路を曲げている。   After that, a dielectric such as SiO2 is deposited, and a trench having a depth of 2 μm is etched by dry etching using a stripe portion serving as an optical waveguide and a portion where electrons and holes leaking to the block structure are recombined as a mask. Removed. The width of the optical waveguide is 1.5 μm, and the waveguide is smoothly bent with a radius of curvature of 1 mm so that the waveguide is inclined 7 degrees from the end face at the cleavage position.

次にInPによる層厚2μmのpnpブロック構造を成長し、SIO2マスクを除去後、全面成長により層厚2μmのp−InPクラッド層、層厚0.3μmのp+−InGaAsコンタクト層を成長圧力13.3kPaにおいて成長した。その後半導体光増幅器と位相調整領域を電気的に分離するため、コンタクト層を除去し、全面にSiO2膜を成膜し、電流注入用窓を形成し、Cr/Au上部p電極をスパッタ法で堆積し、パターニングにより各領域毎に電極を分離した。基板を研磨後、AuGeNi下部電極をスパッタ法で成膜した。その後、半導体光増幅器領域450μm、位相調整領域200μmとなるようにへき開した。 最後に、半導体光増幅器3側を光出力側とするために、その端面には、誘電体の多層膜を堆積する事で低反射コーティング5を行った。反対側の位相調整領域4側を外部共振器側とするために、その端面にも別の誘電体の多層膜を堆積する事で無反射コーティング6を行った。   Next, a pnp block structure having a thickness of 2 μm is grown by InP, and after removing the SIO2 mask, a p-InP cladding layer having a thickness of 2 μm and a p + -InGaAs contact layer having a thickness of 0.3 μm are grown by growing the entire surface. Grown at 3 kPa. Thereafter, in order to electrically isolate the semiconductor optical amplifier and the phase adjustment region, the contact layer is removed, a SiO2 film is formed on the entire surface, a current injection window is formed, and a Cr / Au upper p-electrode is deposited by sputtering. Then, the electrodes were separated for each region by patterning. After polishing the substrate, an AuGeNi lower electrode was formed by sputtering. Thereafter, cleavage was performed so that the semiconductor optical amplifier region was 450 μm and the phase adjustment region was 200 μm. Finally, in order to set the semiconductor optical amplifier 3 side to the light output side, a low reflection coating 5 was performed by depositing a dielectric multilayer film on the end face. In order to set the opposite phase adjustment region 4 side to the external resonator side, the antireflection coating 6 was performed by depositing another dielectric multilayer film on the end face.

その後半導体素子を1つずつに分割し、波長可変反射構造2、コリメートレンズ7、波長選択フィルタ8と共に、サブキャリア9上に搭載する。その際、半導体素子は電流を流して光を放出させ、光線が直線的に進行するように正確に配置し、外部共振器型波長可変レーザを作製した。   Thereafter, the semiconductor elements are divided one by one and mounted on the subcarrier 9 together with the variable wavelength reflection structure 2, the collimating lens 7, and the wavelength selection filter 8. At that time, the semiconductor element was caused to emit light by passing an electric current, and was arranged accurately so that the light beam traveled linearly, and an external resonator type wavelength tunable laser was manufactured.

この外部共振器型波長可変レーザは、1527nm〜1570nmの間で波長を可変することができ、すべての波長域で、閾値20mA以下で発振した。位相調整領域に電流を8mA程度注入する事により光通信システムで定められた波長において光強度を最大に調整することができた。また最大光出力はファイバ結合光出力で30mWと良好な特性を示し、本発明による方法で十分な波長可変機能を得る事ができた。   This external cavity type wavelength tunable laser can vary the wavelength between 1527 nm and 1570 nm, and oscillates with a threshold of 20 mA or less in all wavelength regions. By injecting a current of about 8 mA into the phase adjustment region, the light intensity could be adjusted to the maximum at the wavelength determined by the optical communication system. Further, the maximum light output was 30 mW as a fiber coupled light output, and a satisfactory wavelength variable function could be obtained by the method of the present invention.

本発明の活用例として、幹線系、アクセス系に使用される波長多重通信用の中長距離光源が挙げられる。   As an application example of the present invention, there is a medium and long distance light source for wavelength multiplexing communication used for a trunk line system and an access system.

残留反射がある場合に生じる可能性のある、波長可変反射構造損失と半導体光増幅器の利得の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the wavelength variable reflection structure loss and the gain of a semiconductor optical amplifier which may arise when there exists a residual reflection. 本発明による半導体光増幅器を内蔵する波長可変レーザにおいて、波長可変反射構造損失と半導体光増幅器の利得の関係を示す図である。In the wavelength tunable laser incorporating the semiconductor optical amplifier according to the present invention, it is a diagram showing the relationship between the wavelength tunable reflection structure loss and the gain of the semiconductor optical amplifier. ΔR=10dB、外部共振器型波長可変レーザの1周回における光損失が20dBから25dBの場合、波長可変範囲として1530nmから1570nmを得るために満たすべき半導体光増幅器の条件について計算した結果を示す図である。When ΔR = 10 dB and the optical loss in one round of the external resonator type wavelength tunable laser is 20 dB to 25 dB, the calculation result is shown for the conditions of the semiconductor optical amplifier that should be satisfied to obtain 1530 nm to 1570 nm as the wavelength variable range. is there. ΔR=8dB、外部共振器型波長可変レーザの1周回における光損失が20dBから25dBの場合、波長可変範囲として1530nmから1570nmを得るために満たすべき半導体光増幅器の条件について計算した結果を示す図である。When ΔR = 8 dB and the optical loss in one round of the external resonator type wavelength tunable laser is 20 dB to 25 dB, the calculation result is shown for the condition of the semiconductor optical amplifier that should be satisfied to obtain 1530 nm to 1570 nm as the wavelength variable range. is there. ΔR=6dB、外部共振器型波長可変レーザの1周回における光損失が20dBから25dBの場合、波長可変範囲として1530nmから1570nmを得るために満たすべき半導体光増幅器の条件について計算した結果を示す図である。When ΔR = 6 dB and the optical loss in one round of the external cavity type wavelength tunable laser is 20 dB to 25 dB, the calculation result is shown for the conditions of the semiconductor optical amplifier that should be satisfied to obtain 1530 nm to 1570 nm as the wavelength variable range. is there. ΔR=16dB、外部共振器型波長可変レーザの1周回における光損失が20dBから25dBの場合、波長可変範囲として1530nmから1570nmを得るために満たすべき半導体光増幅器の条件について計算した結果を示す図である。When ΔR = 16 dB and the optical loss in one round of the external resonator type wavelength tunable laser is 20 dB to 25 dB, the calculation result is shown for the condition of the semiconductor optical amplifier that should be satisfied to obtain 1530 nm to 1570 nm as the wavelength variable range. is there. ΓLをパラメータとし、許容されるλ0の最大値λ0,maxのΔR依存性を抽出した図である。FIG. 6 is a diagram in which ΔR dependence of the maximum value λ0, max of λ0 allowed is extracted using ΓL as a parameter. ΓLをパラメータとし、許容されるλ0の最小値λ0,minのΔR依存性を抽出した図である。FIG. 6 is a diagram in which ΔR dependence of a minimum value λ0, min of λ0 allowed is extracted using ΓL as a parameter. 本発明を実施するための最良の形態による外部共振器型波長可変レーザの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the external resonator type | mold wavelength-variable laser by the best form for implementing this invention. 本発明の第1の実施の形態における外部共振器型波長可変レーザの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the external resonator type | mold wavelength-variable laser in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態における外部共振器型波長可変レーザの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the external resonator type | mold wavelength-tunable laser in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態における外部共振器型波長可変レーザの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the external resonator type | mold wavelength-tunable laser in the 3rd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体素子
2 波長可変反射構造
3 半導体光増幅器
4 位相調整領域
5 低反射コーティング膜
6 無反射コーティング膜
7 コリメートレンズ
8 波長選択フィルタ
9 サブキャリア
10 波長可変フィルタ
11 全反射ミラー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor element 2 Wavelength variable reflection structure 3 Semiconductor optical amplifier 4 Phase adjustment area | region 5 Low reflection coating film 6 Antireflection coating film 7 Collimating lens 8 Wavelength selection filter 9 Subcarrier 10 Wavelength variable filter 11 Total reflection mirror

Claims (6)

反射スペクトルピーク波長を可変できる面型の反射構造を有し、かつ、半導体利得領域を少なくとも含む外部共振器型波長可変レーザにおいて、
前記反射構造の反射スペクトルピーク波長が該波長可変レーザの波長可変範囲に含まれる任意の波長λ1であり、レーザ発振時に前記半導体利得領域の最大利得を示す波長がλ2である場合、前記反射構造の波長λ1における損失と波長λ2における損失との差の絶対値ΔLoss(dB)が、レーザ発振時における半導体利得領域の波長λ1における利得と波長λ2における利得との差Δg(dB)よりも大きくなる、光閉じこめ定数Γおよび半導体利得領域長Lの積ΓLを有する半導体利得領域を内蔵することを特徴とする外部共振器型波長可変レーザ。
In an external cavity type wavelength tunable laser having a surface type reflection structure capable of changing the reflection spectrum peak wavelength and including at least a semiconductor gain region,
When the reflection spectrum peak wavelength of the reflection structure is an arbitrary wavelength λ1 included in the wavelength variable range of the wavelength tunable laser, and the wavelength indicating the maximum gain of the semiconductor gain region at the time of laser oscillation is λ2, The absolute value ΔLoss (dB) of the difference between the loss at wavelength λ1 and the loss at wavelength λ2 is larger than the difference Δg (dB) between the gain at wavelength λ1 and the gain at wavelength λ2 in the semiconductor gain region during laser oscillation. An external cavity type wavelength tunable laser comprising a semiconductor gain region having a product ΓL of an optical confinement constant Γ and a semiconductor gain region length L.
前記外部共振器型波長可変レーザにおいて、
前記波長λ1における前記反射構造の反射率がR1(%)であり、前記波長λ2における前記反射構造の反射率がR2(%)であり、反射率差ΔR(dB)をΔR=10×log(R1/R2)とした場合、ΔRが10dBよりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の外部共振器型波長可変レーザ。
In the external cavity type tunable laser,
The reflectance of the reflective structure at the wavelength λ1 is R1 (%), the reflectance of the reflective structure at the wavelength λ2 is R2 (%), and the reflectance difference ΔR (dB) is ΔR = 10 × log ( 2. The external cavity type wavelength tunable laser according to claim 1, wherein ΔR is larger than 10 dB when R1 / R2).
前記外部共振器型波長可変レーザにおいて、
前記反射構造の反射スペクトルピークの可変範囲が波長(λ4−40)nmから波長λ4までの40nmであり、
前記外部共振器型波長可変レーザの1周回の共振器ロスが20〜25dBであり、
前記半導体利得領域の活性領域が多重量子井戸で構成されており、
前記波長λ1における前記反射構造の反射率がR1(%)であり、前記波長λ2における前記反射構造の反射率がR2(%)であり、反射率差ΔR(dB)をΔR=10×log(R1/R2)としたとき、
前記光閉じこめ定数Γ、前記半導体利得領域長Lの関係、および前記反射率差ΔRが、25μm<Γ×L<5μm、かつ、6dB<ΔR<16dBを満たす場合、該半導体利得領域の内部損失と等しい最大モード利得を有するキャリア密度注入時における利得ピーク波長λ0が、−1.45×ΔR+(λ4+16)よりも大きく、かつ、(−0.14×(ΓL)+7.79)×ΔR+(−0.82×(ΓL)+λ4+20)よりも小さい半導体利得領域を内蔵することを特徴とする請求項1に記載の外部共振器型波長可変レーザ。
In the external cavity type tunable laser,
The variable range of the reflection spectrum peak of the reflection structure is 40 nm from a wavelength (λ4-40) nm to a wavelength λ4,
The round-trip resonator loss of the external resonator type tunable laser is 20 to 25 dB,
The active region of the semiconductor gain region is composed of multiple quantum wells,
The reflectance of the reflective structure at the wavelength λ1 is R1 (%), the reflectance of the reflective structure at the wavelength λ2 is R2 (%), and the reflectance difference ΔR (dB) is ΔR = 10 × log ( R1 / R2)
When the relationship between the optical confinement constant Γ, the semiconductor gain region length L, and the reflectance difference ΔR satisfy 25 μm <Γ × L <5 μm and 6 dB <ΔR <16 dB, the internal loss of the semiconductor gain region The gain peak wavelength λ0 at the time of carrier density injection having the same maximum mode gain is larger than −1.45 × ΔR + (λ4 + 16), and (−0.14 × (ΓL) +7.79) × ΔR + (− 0) 2. The external cavity type wavelength tunable laser according to claim 1, wherein a semiconductor gain region smaller than .82 × (ΓL) + λ4 + 20) is incorporated.
発振閾電流密度Jthが30kA/cm2以下になるような前記光閉じこめ定数Γおよび前記半導体利得領域長Lを有する半導体利得領域を有することを特徴とする請求項1から3のうちのいずれか1項に記載の外部共振器型波長可変レーザ。   4. The semiconductor gain region according to claim 1, further comprising: a semiconductor gain region having the optical confinement constant Γ and the semiconductor gain region length L such that an oscillation threshold current density Jth is 30 kA / cm 2 or less. An external resonator type wavelength tunable laser described in 1. 前記半導体利得領域として、該外部共振器型波長可変レーザの共振器内の光の位相を変化させることができる受動領域を集積している半導体光増幅器を内蔵することを特徴とする請求項1から4のうちのいずれか1項に記載の外部共振器型波長可変レーザ。   2. A semiconductor optical amplifier in which a passive region capable of changing a phase of light in a resonator of the external cavity type tunable laser is integrated as the semiconductor gain region. 5. The external resonator type wavelength tunable laser according to any one of 4. 半導体利得媒質として、外部共振器側の端面近傍の導波路が端面に対して垂直ではない半導体光増幅器を内蔵することを特徴とする請求項1から5のうちのいずれか1項に記載の外部共振器型波長可変レーザ。   6. The external of claim 1, wherein the semiconductor gain medium includes a semiconductor optical amplifier in which the waveguide near the end face on the external resonator side is not perpendicular to the end face. Cavity tunable laser.
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