JP2010238890A - Semiconductor pulse laser - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体パルスレーザに関し、特に光通信や光情報処理に適したモノリシック集積型のモード同期半導体レーザに関する。 The present invention relates to a semiconductor pulse laser, and more particularly to a monolithically integrated mode-locked semiconductor laser suitable for optical communication and optical information processing.
光ファイバ通信技術は現代の情報化社会を支える重要な基盤技術である。現在、幹線系の1チャネルあたりの通信速度は10〜40Gb/sに及び、将来的には80〜160Gb/s以上の超高速通信の実現も期待されている。かかる超高速通信の実現には各種光素子が必要となるが、特に短い光パルスを一定の周波数で持続させた光クロックパルスが必須であり、安定でジッタのない、つまり時間軸での信号の揺らぎが少ない光クロックパルス発生素子の実現が求められている。 Optical fiber communication technology is an important basic technology that supports the modern information society. Currently, the communication speed per channel of the trunk line system ranges from 10 to 40 Gb / s, and in the future, it is expected to realize ultrahigh-speed communication of 80 to 160 Gb / s or more. Various optical elements are required to realize such ultra-high-speed communication, but in particular, an optical clock pulse in which a short optical pulse is maintained at a constant frequency is indispensable, and is stable and free of jitter, that is, a signal on a time axis. Realization of an optical clock pulse generating element with less fluctuation is demanded.
光クロックパルスを発生させる方法は、半導体レーザの直接変調によるもの、モード同期レーザによるもの、外部変調器によるもの等が知られている。ネットワークシステムの小型化や振動に対する堅牢さの観点からは、半導体素子による光クロックパルスの発生が望ましく、さらに超高速パルスを発生させうる方式として、モード同期方式による半導体レーザが望ましい。 Known methods for generating an optical clock pulse include a method using direct modulation of a semiconductor laser, a method using a mode-locked laser, and a method using an external modulator. From the viewpoint of miniaturization of the network system and robustness against vibration, generation of an optical clock pulse by a semiconductor element is desirable, and a mode-synchronous semiconductor laser is desirable as a method capable of generating an ultrafast pulse.
しかしながら、従来のモード同期半導体レーザでは、発振利得帯域又は可飽和吸収体等の非線形媒体の応答を調整して素子を作製し、実効共振器長で決まる発振縦モード間を相互に同期をとることで短パルス光を発生させている。そのため、発振スペクトルは作製時点で規定されることとなり、さらには、そのフーリエ変換の関係にある光パルス時間波形も一意に定まっていた。そのため、長距離伝送にとって問題となる波長分散の影響が調整できず、さらに、ビットレートに適したRZ(Return to Zero)パルスの時間幅を調整することができない。 However, in a conventional mode-locked semiconductor laser, an element is fabricated by adjusting the response of a nonlinear medium such as an oscillation gain band or a saturable absorber, and the oscillation longitudinal modes determined by the effective resonator length are mutually synchronized. The short pulse light is generated. For this reason, the oscillation spectrum is defined at the time of production, and furthermore, the optical pulse time waveform that is related to the Fourier transform is uniquely determined. Therefore, the influence of chromatic dispersion, which is a problem for long-distance transmission, cannot be adjusted, and further, the time width of an RZ (Return to Zero) pulse suitable for the bit rate cannot be adjusted.
特許文献1には、モード同期半導体レーザの反射波長幅、発振周波数、チャープの制御について記載されている。発振波長幅の制御は、光導波路領域への電流注入で導波路損失を変化させることで実現している。反射鏡は、その反射率が十分に高い状態では一定の反射波長幅2nmを有している。反射鏡の前方に設置された導波路に電流を注入してフリーキャリア吸収を生じさせることで導波損失が発生し、その結果、反射鏡の実効反射率が低下するために、反射帯域の端部の反射率が低下し、半値全幅としての反射波長幅が0.5nmまで減少させることができる。 Patent Document 1 describes control of the reflection wavelength width, oscillation frequency, and chirp of a mode-locked semiconductor laser. Control of the oscillation wavelength width is realized by changing the waveguide loss by injecting current into the optical waveguide region. The reflecting mirror has a constant reflection wavelength width of 2 nm when the reflectance is sufficiently high. Injecting current into the waveguide installed in front of the reflector to cause free carrier absorption causes waveguide loss. As a result, the effective reflectivity of the reflector decreases, so the end of the reflection band The reflectance of the portion is lowered, and the reflection wavelength width as the full width at half maximum can be reduced to 0.5 nm.
特許文献1の図2には、反射領域の光ガイド層に電流注入することで反射波長幅を調整する機構が記載されており、光短パルス時間波形を調整することが可能である。但し、反射波長幅は導波路損失に相関がある構造であるため、一定の発振条件のもとで一定のパルス時間波形を得ようとすると、安定に光出力の調整を行うことができない。 FIG. 2 of Patent Document 1 describes a mechanism for adjusting the reflection wavelength width by injecting a current into the light guide layer in the reflection region, and the light short pulse time waveform can be adjusted. However, since the reflection wavelength width has a structure correlated with the waveguide loss, the light output cannot be adjusted stably if a constant pulse time waveform is obtained under a constant oscillation condition.
すなわち、特定のパルス時間波形を想定すると、そのフーリエ変換の関係にある反射波長幅が一義に決まり、光導波路領域に注入する電流量を制御して導波路損失を調整することが必要となるが、それと同時に、その損失を補償して発振を維持するための活性層領域への注入電流量が決まってしまうために、出力される光強度はある特定の値となる。 That is, assuming a specific pulse time waveform, the reflection wavelength width related to the Fourier transform is uniquely determined, and it is necessary to adjust the waveguide loss by controlling the amount of current injected into the optical waveguide region. At the same time, since the amount of current injected into the active layer region for compensating the loss and maintaining oscillation is determined, the output light intensity has a specific value.
また、光導波路領域の電流が特定の値で固定されるために発振の位相調整を行うことができず、共振器の発振状態が不安定になる。さらには、反射波長幅の調整と独立した反射鏡の中心波長の調整機構が無いため、高密度波長多重光通信で所望する波長へ発振波長を微調整することが出来ない。 Further, since the current in the optical waveguide region is fixed at a specific value, the oscillation phase cannot be adjusted, and the oscillation state of the resonator becomes unstable. Furthermore, since there is no mechanism for adjusting the center wavelength of the reflector independent of the adjustment of the reflection wavelength width, the oscillation wavelength cannot be finely adjusted to a desired wavelength in high-density wavelength division multiplexing optical communication.
そこで、本発明は上述の問題点に鑑み、光短パルスの発振スペクトル幅及び時間波形を安定に外部制御可能とする半導体パルスレーザの提供を目的とする。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor pulse laser that can stably externally control the oscillation spectrum width and time waveform of an optical short pulse.
本発明の半導体パルスレーザは、所定の波長域に対して利得を有する利得領域と、利得領域と光学的に結合した第1反射鏡領域及び第2反射鏡領域と、を備え、第1反射鏡領域は、第1反射スペクトルを生じさせる第1回折格子を有し、第2反射鏡領域は、第2反射スペクトルを生じさせる第2回折格子を有し、第1反射スペクトルと第2反射スペクトルが重なった波長範囲で多モード発振するように、第1回折格子と第2回折格子が構成されていることを特徴とする。 The semiconductor pulse laser of the present invention includes a gain region having a gain with respect to a predetermined wavelength region, and a first reflecting mirror region and a second reflecting mirror region optically coupled to the gain region, and the first reflecting mirror. The region has a first diffraction grating that produces a first reflection spectrum, the second reflector region has a second diffraction grating that produces a second reflection spectrum, and the first reflection spectrum and the second reflection spectrum are The first diffraction grating and the second diffraction grating are configured to oscillate in a multimode in the overlapping wavelength range.
本発明の半導体パルスレーザでは、第1反射スペクトルと第2反射スペクトルが重なった波長範囲で多モード発振するように、第1回折格子と第2回折格子が構成されている。これにより、一方の反射スペクトルを波長シフトさせることで光短パルスの発振スペクトル幅及び時間波形を安定的に外部制御することが可能である。 In the semiconductor pulse laser of the present invention, the first diffraction grating and the second diffraction grating are configured so that multimode oscillation occurs in a wavelength range in which the first reflection spectrum and the second reflection spectrum overlap. Thereby, it is possible to stably externally control the oscillation spectrum width and the time waveform of the optical short pulse by shifting the wavelength of one reflection spectrum.
(実施の形態1)
<構成>
図1は、本発明の実施の形態1における半導体パルスレーザの共振器方向断面図である。
(Embodiment 1)
<Configuration>
FIG. 1 is a sectional view in the cavity direction of the semiconductor pulse laser according to the first embodiment of the present invention.
本実施の形態の半導体パルスレーザは、n型InP基板51と、その上に形成されたn型InPクラッド層52と、その上に形成されたInGaAsP活性層23及び光導波層24を備えている。又、本実施の形態の半導体パルスレーザは、活性層23及び光導波層24上に形成されたp型InPクラッド層55と、光導波層24の上部の一部に形成された第1回折格子21及び第2回折格子22と、クラッド層55上に形成されたp型InGaAsコンタクト層56と、活性層23と光導波層24の側面に形成された電流を狭窄するための高抵抗InP電流閉じ込め層57(図2参照)と、を備えている。
The semiconductor pulse laser of the present embodiment includes an n-
半導体パルスレーザは、所定の波長域に対して利得を有する利得領域13と、利得領域13を挟むように配置された第1反射鏡領域11及び第2反射鏡領域12とを備え、さらに導波路領域14を備える。利得領域13は、活性層23とこれに対応するn型クラッド層52、p型クラッド層55、基板51から構成される。第1反射鏡領域11は、第1回折格子21とこれに対応する光導波層24、n型クラッド層52、p型クラッド層55、基板51から構成される。第2反射鏡領域12は、第2回折格子22とこれに対応する光導波層24、n型クラッド層52、p型クラッド層55、基板51から構成される。導波路領域14は、回折格子21,22や活性層23が形成されていない領域に対応する光導波層24、n型クラッド層52、p型クラッド層55、基板51から構成される。なお、本実施の形態において第1回折格子21および第2回折格子22は、中心波長を同一に設定した分布ブラッグ反射鏡である。
The semiconductor pulse laser includes a
すなわち、実施の形態1に係る半導体パルスレーザは、第1反射鏡領域11と第2反射鏡領域12は、利得領域13を挟むように配置されていることを特徴とする。このような構成にすることで、第1回折格子21の第1反射スペクトルと第2回折格子22の第2反射スペクトルの重なった波長範囲で多モード発振させ、一方の反射スペクトルを波長シフトさせることにより発振スペクトル幅を制御することができる。
That is, the semiconductor pulse laser according to the first embodiment is characterized in that the
さらに、実施の形態1に係る半導体パルスレーザは、第1反射鏡領域11と第2反射鏡領域12の間に配置された導波路領域14を備える。これにより、共振器モードを安定化させることができ、安定的に発振光短パルスの時間波形を調整できる。
Furthermore, the semiconductor pulse laser according to the first embodiment includes a
また、第1回折格子21及び第2回折格子22は、分布ブラッグ回折格子であることを特徴とする。発振スペクトルを制限する回折格子に同一周期のみで構成される分布ブラッグ回折格子を用いることにより、容易に半導体パルスレーザを製造することが出来る。 The first diffraction grating 21 and the second diffraction grating 22 are distributed Bragg diffraction gratings. By using a distributed Bragg diffraction grating composed of only the same period as the diffraction grating for limiting the oscillation spectrum, a semiconductor pulse laser can be easily manufactured.
第1反射鏡領域11、利得領域13、第2反射鏡領域12、導波路領域14は、エッチングによって形成された分離溝37a、37b、37cによって電気的に分離されている。
The
さらに、半導体パルスレーザは、上述の領域のそれぞれにおいてp型InGaAsコンタクト層56上に形成されたp型電極となる第1反射鏡領域電極31、第2反射鏡領域電極32、利得領域電極33、導波路領域電極34を備える。もちろん、これらの電極も分離溝37a、37b、37cによって互いに隔てられかつ電気的に分離されるように設けられている。
Further, the semiconductor pulse laser includes a first
さらに、半導体パルスレーザは、n型InP基板51の裏面側に形成されたn型電極となる裏面電極36を備え、端面反射を低減するため両端面に無反射コーティング38を備える。このように、本実施の形態の半導体パルスレーザは多電極構造となる。
Further, the semiconductor pulse laser includes a
<動作>
次に、本実施の形態の半導体パルスレーザの動作を説明する。
<Operation>
Next, the operation of the semiconductor pulse laser of this embodiment will be described.
本実施の形態の半導体レーザは、上述したようにp型電極31、32、33、34が分離溝37a、37b、37cによって電気的に分離された4つの領域に分割されており、第1反射鏡領域11、第2反射鏡領域12、利得領域13、および導波路領域14の各々へ独立に電流を注入できる構成を有している。すなわち、第1反射鏡領域電極31から第1反射鏡領域11へ、第2反射鏡領域電極32から第2反射鏡領域12へ、利得領域電極33から利得領域13へ、導波路領域電極34から導波路領域14へ、それぞれ独立に電流が注入される。このうち、利得領域13へ電流が注入されると、活性層23において強い励起状態が生じ、その結果発光が起こる。活性層23で発生した光は、第1反射鏡領域11および第2反射鏡領域12において波長が規定され、多モード発振する。
As described above, the semiconductor laser according to the present embodiment is divided into four regions in which the p-
<スペクトル幅の調整>
図3は、実施の形態1における半導体パルスレーザの反射スペクトルを示す図である。第1回折格子21と第2回折格子22は中心波長を同一に設定しているため、第1反射鏡領域電極31と第2反射鏡領域電極32の両方に電流が注入されていない状態では、第1回折格子の反射スペクトル(第1反射スペクトル)101と点線で示す第2回折格子22の反射スペクトル(第2反射スペクトル)102の中心波長は一致し、狭い方の反射スペクトル幅が重なりスペクトル幅となる。第2反射鏡領域電極32から第2回折格子22に電流を注入すると、プラズマ効果による実効屈折率の低下が生じ第2反射スペクトル102は例えば1.0nm短波長側にシフトする。シフト後のスペクトルを第2反射スペクトル102´(実線)として示している。なお、図3では見易くする目的で第2反射スペクトル102,102´の高さを第1反射スペクトル101よりも高くしている。
<Spectral width adjustment>
FIG. 3 is a diagram showing a reflection spectrum of the semiconductor pulse laser in the first embodiment. Since the first diffraction grating 21 and the
第1反射スペクトル101と第2反射スペクトル102´の重なり幅103の波長範囲にあって、かつ発振閾値レベル以上となる光が発振される。
Light that is in the wavelength range of the
すなわち、実施の形態1に係る半導体パルスレーザは、所定の波長域に対して利得を有する利得領域13と、利得領域13と光学的に結合した第1反射鏡領域11及び第2反射鏡領域12と、を備え、第1反射鏡領域11は、第1反射スペクトルを生じさせる第1回折格子21を有し、第2反射鏡領域12は、第2反射スペクトルを生じさせる第2回折格子22を有し、第1反射スペクトルと第2反射スペクトルが重なった波長範囲で多モード発振するように、第1回折格子21と第2回折格子22が構成されていることを特徴とする。これにより、発振スペクトル幅を外部制御により調整することができ、発振光短パルスの時間波形を調整することが出来る。
That is, the semiconductor pulse laser according to the first embodiment includes a
そして、第1反射スペクトルと第2反射スペクトルは第1、第2回折格子21,22への電流非注入時の中心波長が同一であることを特徴とする。よって、狭い方のスペクトル幅が重なり幅となり、発振スペクトル幅が決定する。又、どちらかの反射スペクトルを波長シフトすれば重なり幅が変化することから、発振スペクトル幅の調整が可能である。
The first reflection spectrum and the second reflection spectrum have the same center wavelength when no current is injected into the first and
本実施の形態では、重なり幅103が少なくとも2本以上、好ましくは3〜10本の発振縦モード104を含むように、第1回折格子21および第2回折格子22が形成されている。例えば、40Gb/sの短パルス光を発生させる場合、縦モード間の波長間隔は約0.32nmとなる必要があり、10本の発振縦モード104が含まれる反射スペクトルの重なり幅103は概ね3.5nmとなる。このため、回折格子21、22の各領域長や光導波層24に対する結合係数を調整して、第1反射スペクトル101と第2反射スペクトル102の波長幅がそれぞれ3.5nm以上となるようにする。例えば、結合係数を〜300/cm、回折格子長を〜150μmとすることで、回折格子のスペクトル波長幅として約5nm程度が得られる。
In the present embodiment, the first diffraction grating 21 and the
今、第1反射スペクトル101の幅を4.0nm、第2反射スペクトル102の幅を5.0nmとし、第2反射鏡領域電極32から第2回折格子22に電流を注入して第2反射スペクトル102を1.0nm短波長側にシフトさせたとすると、第1反射スペクトル101と第2反射スペクトル102´の重なり幅103は3.5nmとなり、約10本の縦モードが発振している。このように片方の回折格子への電流注入量を調整することにより、反射スペクトルの重なり幅103を調整することができる。分布ブラッグ反射鏡へ電流を注入してシフトできる波長は、一般的には概ね5nm程度であることが知られており、本実施の形態では重なり幅103を0nm〜4nmの範囲で調整する。
Now, the width of the
発振している複数の縦モードが位相同期するように、利得領域13の長さ、導波路領域14の長さ、さらには、それぞれの利得領域電極33、導波路領域電極34への電流量が適当に調整されている場合、モード同期した短パルス光が発振する。位相同期した状態では発振光スペクトル105の包絡線(図4参照)と、光パルスの時間波形107(図5参照)が、互いにフーリエ変換の関係にあることが知られている。なお、図4は第1反射鏡領域11の長さを150μm、第2反射鏡領域12の長さを150μm、利得領域の長さを500μm、導波路領域14の長さを300μmとした場合の発振スペクトルであり、図5は上記条件における時間波形である。図3における反射スペクトルの重なり幅103を調整することにより、言い換えれば第2反射スペクトル102´のシフト量を調整することにより、発振光スペクトルの包絡線105の幅が調整可能となり、よって光パルスの時間波形107が調整できる。
The length of the
<発振縦モードの数>
上記の説明において、発振縦モード104の数は3〜10本が好ましいとしたが、その理由について説明する。縦モードが2本の場合パルス発振は発生するが、スペクトルと時間波形のフーリエ変換関係により一般的に正弦波状のパルスとなり、特殊な場合を除いて光通信に適さない。一方、モード同期半導体レーザの設計で各々の縦モードは利得媒体の分散の影響を強く受けるが、レーザ発振は非線形の多モード方程式で記述され、各々の相関に関しては解析が極めて困難である。そのため、4本を超える多モードの解析的な解は得られていないが、半導体レーザではモード間の位相差を完全に無くすことは困難であることが示唆されている。つまり、モードの数が増えるに従いモード間の位相差が累積し、完全なフーリエ変換関係からは外れたモード同期状態となる。
<Number of oscillation longitudinal modes>
In the above description, the number of oscillation
波長分散を有する特定の半導体構造において、モード同期発振スペクトルに含まれるモード数と時間パルス波形からフーリエ変換限界からの外れを実験的に評価した結果を図6に示す。図6は、横軸に発振縦モード数、縦軸に時間・帯域幅積をとり、両者の関係を示している。なお、時間・帯域幅積は、波形に依存してその下限値が物理的に定まっており、sech2型では0.315であることが知られている。なお、この状態をフーリエ変換限界と呼ぶ。図6より、モード数が増えるに従い急激にフーリエ変換限界から外れ、モード数が10本を超えるあたりでモード同期状態が解除されている。 FIG. 6 shows the result of experimental evaluation of the deviation from the Fourier transform limit from the number of modes included in the mode-locked oscillation spectrum and the time pulse waveform in a specific semiconductor structure having chromatic dispersion. FIG. 6 shows the relationship between the number of oscillation longitudinal modes on the horizontal axis and the time / bandwidth product on the vertical axis. The lower limit of the time / bandwidth product is physically determined depending on the waveform, and is known to be 0.315 for the sech 2 type. This state is called the Fourier transform limit. As shown in FIG. 6, as the number of modes increases, it suddenly deviates from the Fourier transform limit, and the mode synchronization state is canceled when the number of modes exceeds 10.
なお、発振スペクトル105(図4参照)の中心波長が、光通信システムで所望される波長と僅かに異なる場合は、第1反射鏡領域電極31と第2反射鏡領域電極32へ注入する電流を同時に調整することにより所望の波長に合わせ込むことが可能である。
When the center wavelength of the oscillation spectrum 105 (see FIG. 4) is slightly different from the wavelength desired in the optical communication system, the current injected into the first
<効果>
実施の形態1に係る半導体パルスレーザは、所定の波長域に対して利得を有する利得領域13と、利得領域13と光学的に結合した第1反射鏡領域11及び第2反射鏡領域12と、を備え、第1反射鏡領域11は、第1反射スペクトルを生じさせる第1回折格子21を有し、第2反射鏡領域12は、第2反射スペクトルを生じさせる第2回折格子22を有し、第1反射スペクトルと第2反射スペクトルが重なった波長範囲で多モード発振するように、第1回折格子21と第2回折格子22が構成されていることを特徴とする。これにより、発振スペクトル幅を外部制御により調整することができ、発振光短パルスの時間波形を調整することが出来る。
<Effect>
The semiconductor pulse laser according to the first embodiment includes a
又、実施の形態1に係る半導体パルスレーザは、第1反射鏡領域11と第2反射鏡領域12は、利得領域13を挟むように配置されていることを特徴とする。このような構成にすることで、第1回折格子21の第1反射スペクトルと第2回折格子22の第2反射スペクトルの重なった波長範囲で多モード発振させ、一方の反射スペクトルを波長シフトさせることにより発振スペクトル幅を制御することができる。
The semiconductor pulse laser according to the first embodiment is characterized in that the first reflecting
さらに、実施の形態1に係る半導体パルスレーザは、第1反射鏡領域11と第2反射鏡領域12の間に配置された導波路領域14を備える。これにより、共振器モードを安定化させることができ、安定的に発振光短パルスの時間波形を調整できる。
Furthermore, the semiconductor pulse laser according to the first embodiment includes a
又、第1反射スペクトルと第2反射スペクトルは第1、第2回折格子21,22への電流非注入時の中心波長が同一であることを特徴とする。よって、狭い方のスペクトル幅が重なり幅となり、発振スペクトル幅が決定する。又、どちらかの反射スペクトルを波長シフトすれば重なり幅が変化することから、発振スペクトル幅の調整が可能である。
The first reflection spectrum and the second reflection spectrum have the same center wavelength when no current is injected into the first and
また、第1回折格子21及び第2回折格子22は、分布ブラッグ回折格子であることを特徴とする。発振スペクトルを制限する回折格子に同一周期のみで構成される分布ブラッグ回折格子を用いることにより、容易に半導体パルスレーザを製造することが出来る。
The first diffraction grating 21 and the
(実施の形態2)
<構成>
実施の形態1では、第1回折格子の反射スペクトル101の中心波長と、第2回折格子の反射スペクトル102の中心波長が同一になるように設定されていたが、実施の形態2では中心波長が異なるように設定されている。回折格子は電子ビーム露光により形成されるが、露光ピッチを変化させることにより中心波長の制御が可能である。図7は、実施の形態2における半導体パルスレーザの反射スペクトルを示す図である。第2反射スペクトル102は、第1反射スペクトル101のスペクトル幅と同程度、第1反射スペクトル101よりも長波長側にくるように、第1回折格子及び第2回折格子が形成されている。
(Embodiment 2)
<Configuration>
In the first embodiment, the center wavelength of the
実施の形態2の半導体パルスレーザのその他の構成は、実施の形態1と同様であるため説明を省略する。 The other configuration of the semiconductor pulse laser according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
<動作>
実施の形態1と同様に、第2反射鏡領域電極32に電流を注入し、プラズマ効果によって第2反射スペクトル102を1.0nm短波長側にシフトさせている。これにより、第1反射スペクトル101と第2反射スペクトル102´の重なり幅103は、約1.5nmとなる。なお、本実施の形態においても実施の形態1と同様に反射スペクトルの重なり幅103は、0nm〜4nmの範囲で調整可能である。
<Operation>
As in the first embodiment, current is injected into the second
実施の形態2では、電流注入量の少ない状態では、反射スペクトルの重なり幅103は小さく、電流注入量の多い状態で重なり幅103が大きくなるように設定されている。短パルスレーザを発振させる場合、パルス幅を短くするためにはフーリエ変換の関係からスペクトル幅を広くすることが求められる。しかし、スペクトル幅を広くして発振縦モード数を増やすと、図6に示したように分散の影響により縦モード間の位相同期が起こりにくくなる場合がある。そのため、発振縦モード数は3本程度であることが安定な位相同期の点からは望ましく、反射スペクトルの重なり幅103を適当に狭くする必要がある。
In the second embodiment, the
分布ブラッグ反射鏡は、電流注入量の増大に伴いプラズマ効果による屈折率の低下が生じるのと同時に、フリーキャリア吸収による損失が発生することが知られている。本実施の形態では、十分な反射率を持つように設計されているが、不要な損失を避けるためには、注入する電流量が少ないことが好ましいことは言うまでもない。つまり、注入電流量が少ない状態で、反射スペクトルの重なり幅103を小さく設定しておくことにより、位相同期を容易に起こすことが出来る。本実施の形態では、注入電流量の増大に伴い反射スペクトルの重なり幅103を増大させる構成となっている。
In the distributed Bragg reflector, it is known that a loss due to free carrier absorption occurs at the same time that the refractive index decreases due to the plasma effect as the amount of current injection increases. In this embodiment, it is designed to have a sufficient reflectance, but it goes without saying that a small amount of current to be injected is preferable in order to avoid unnecessary loss. In other words, phase synchronization can be easily caused by setting the overlapping
すなわち、実施の形態2の半導体パルスレーザは、第1反射スペクトルと第2反射スペクトルは第1、第2回折格子21,22への電流非注入時の中心波長が異なることを特徴とする。電流非注入時において、一方の反射スペクトルの中心波長を他方の反射スペクトルのスペクトル幅程度シフトさせておけば、フリーキャリア吸収による損失が少ない少量の電流注入によって適度に狭い重なり幅103とすることができ、発振縦モードの安定な位相同期を得ることが出来る。
That is, the semiconductor pulse laser according to the second embodiment is characterized in that the first reflection spectrum and the second reflection spectrum have different center wavelengths when no current is injected into the first and
<効果>
実施の形態2の半導体パルスレーザによれば、上述した通り以下の効果を奏する。すなわち、実施の形態2の半導体パルスレーザにおいて第1反射スペクトルと第2反射スペクトルは第1、第2回折格子21,22への電流非注入時の中心波長が異なることを特徴とする。電流非注入時において、一方の反射スペクトルの中心波長を他方の反射スペクトルのスペクトル幅程度シフトさせておけば、フリーキャリア吸収による損失が少ない少量の電流注入によって適度に狭い重なり幅103とすることができ、発振縦モードの安定な位相同期を得ることが出来る。
<Effect>
The semiconductor pulse laser according to the second embodiment has the following effects as described above. That is, the semiconductor pulse laser according to the second embodiment is characterized in that the first reflection spectrum and the second reflection spectrum have different center wavelengths when no current is injected into the first and
(実施の形態3)
<構成>
実施の形態1及び実施の形態2では、第1回折格子21及び第2回折格子22として分布ブラッグ回折格子反射鏡を用いた。しかし、実施の形態3では、第1回折格子21及び第2回折格子22のいずれか又は両方をチャープ回折格子反射鏡とする。その他の構成については実施の形態1と同様であるため説明を省略する。
(Embodiment 3)
<Configuration>
In the first and second embodiments, distributed Bragg diffraction grating reflectors are used as the first diffraction grating 21 and the
<チャープ回折格子>
分布ブラッグ反射鏡は、単一の周期の格子を繰り返して作製されており、その長さと導波層との結合効率を調整することにより、反射スペクトル幅や反射率を調整する。分布ブラッグ反射鏡では、反射スペクトル幅を大きくするために回折格子の長さと結合係数の積を大きくしており、その結果反射率は高く発振閾値を下げる効果がある。
<Chirp diffraction grating>
The distributed Bragg reflector is manufactured by repeating a grating having a single period, and the reflection spectrum width and the reflectance are adjusted by adjusting the coupling efficiency between the length and the waveguide layer. In the distributed Bragg reflector, the product of the length of the diffraction grating and the coupling coefficient is increased in order to increase the reflection spectrum width, and as a result, the reflectivity is high and the oscillation threshold is reduced.
同様の広い反射スペクトル幅を得るものに、例えば格子の周期を順次変えて回折格子を作製するチャープ回折格子があり、実施の形態3ではこれを反射鏡として用いる。チャープ回折格子は、周期の調整幅に対応して反射スペクトルを広げることができ、各々の周期の回折格子の繰り返し数に応じて反射率を調整できる効果がある。 For example, a chirped diffraction grating for producing a diffraction grating by sequentially changing the period of the grating is used to obtain a similar wide reflection spectrum width. In the third embodiment, this is used as a reflecting mirror. The chirped diffraction grating can broaden the reflection spectrum corresponding to the adjustment width of the period, and has an effect of adjusting the reflectance according to the number of repetitions of the diffraction grating of each period.
そのため、チャープ回折格子を反射鏡として用いることで、所望のスペクトル幅を任意に設計し、適当に反射率を下げることができる。例えば、チャープ格子を実現する一つの手法である多重位相シフト回折格子を採用した場合、結合係数を40/cmに設定し、位相シフト間の回折格子のひとかたまりを20周期程度で形成することで、反射率を0.5程度に下げた反射鏡を得ることができる。これにより、発振閾値は上昇するが、光出力を増大させることが出来る。 Therefore, by using a chirped diffraction grating as a reflecting mirror, it is possible to arbitrarily design a desired spectral width and appropriately reduce the reflectance. For example, when a multiple phase shift diffraction grating, which is one method for realizing a chirped grating, is employed, the coupling coefficient is set to 40 / cm, and a group of diffraction gratings between phase shifts is formed in about 20 cycles. A reflecting mirror having a reflectance reduced to about 0.5 can be obtained. Thereby, although the oscillation threshold value increases, the light output can be increased.
すなわち、実施の形態3に係る半導体パルスレーザにおいて、第1回折格子21及び第2回折格子22は、チャープ回折格子であることを特徴とする。発振スペクトルを制限する回折格子に周期が変化するチャープ回折格子を用いることにより、光出力や時間波形の設計自由度の高い半導体パルスレーザを得ることが出来る。
That is, the semiconductor pulse laser according to the third embodiment is characterized in that the first diffraction grating 21 and the
<効果>
実施の形態3に係る半導体パルスレーザでは既に述べたように以下の効果を奏する。すなわち、実施の形態3に係る半導体パルスレーザにおいて、第1回折格子21及び第2回折格子22は、チャープ回折格子であることを特徴とする。発振スペクトルを制限する回折格子に周期が変化するチャープ回折格子を用いることにより、光出力や時間波形の設計自由度の高い半導体パルスレーザを得ることが出来る。
<Effect>
The semiconductor pulse laser according to the third embodiment has the following effects as described above. That is, the semiconductor pulse laser according to the third embodiment is characterized in that the first diffraction grating 21 and the
(実施の形態4)
<構成>
実施の形態1では利得領域13と第二反射鏡領域の間に導波路領域14を備えることとしたが、導波路領域14はなくても良い。図8に示すように、実施の形態4の半導体パルスレーザは、実施の形態1において導波路領域14を除去したものである。その他の構成は実施の形態1と同様であるため説明を省略する。
(Embodiment 4)
<Configuration>
In the first embodiment, the
<動作>
本実施の形態の動作は、実施の形態1と実質的に同様であるため説明を省略する。
<Operation>
Since the operation of this embodiment is substantially the same as that of Embodiment 1, the description thereof is omitted.
<効果>
本実施の形態においても、第1回折格子21の反射スペクトルと第2回折格子22の反射スペクトルの重なり幅によって発振光のスペクトル幅が決定するため、一方の反射スペクトルを波長シフトさせることにより、光短パルスの発振スペクトル幅を調整し、時間波形を外部制御することが可能である。
<Effect>
Also in the present embodiment, since the spectrum width of the oscillation light is determined by the overlapping width of the reflection spectrum of the first diffraction grating 21 and the reflection spectrum of the
(実施の形態5)
<構成>
図9は、実施の形態5の半導体パルスレーザの上面図である。実施の形態5の半導体パルスレーザは、利得領域13と、第1反射鏡領域11と、第2反射鏡領域12と、第1反射鏡領域11及び第2反射鏡領域12を利得領域13と光学的に結合させる多モード干渉カプラ41に加え、可飽和吸収領域15を備え、好ましくは導波路領域14をさらに備える。
(Embodiment 5)
<Configuration>
FIG. 9 is a top view of the semiconductor pulse laser according to the fifth embodiment. In the semiconductor pulse laser of the fifth embodiment, the
利得領域13、第1反射鏡領域11、第2反射鏡領域12、導波路領域14の構成は実施の形態1と同様であり、利得領域13は活性層23を、第1反射鏡領域11は第1回折格子21を、第2反射鏡領域12は第2回折格子22を、それぞれ備えている。
The configurations of the
可飽和吸収領域15は利得領域13より半導体パルスレーザの光出射側に設けられ、第1反射鏡領域11と第2反射鏡領域12は、可飽和吸収領域15に対して利得領域13の反対側に並列に配置され、多モード干渉カプラ41を介してそれぞれ独立に利得領域13と光学的に結合している。また、導波路領域14が、多モード干渉カプラ41と第1反射鏡領域11および第2反射鏡領域12の間に設けられている。本実施の形態において第1回折格子21および第2回折格子22のそれぞれは、中心波長を同一に設定した分布ブラッグ反射鏡である。
The
すなわち、実施の形態5の半導体パルスレーザは、利得領域の光出射側に設けられ、所定の波長域に対して可飽和吸収特性を有する可飽和吸収領域15をさらに備え、第1反射鏡領域11と第2反射鏡領域12は利得領域13に対して可飽和吸収領域15と反対側に並列配置されていることを特徴とする。これにより、可飽和吸収領域15を有するモード同期パルスレーザにおいて、発振スペクトル幅を外部制御により調整することができ、発振光短パルスの時間波形を調整することが出来る。
That is, the semiconductor pulse laser according to the fifth embodiment further includes a
また、実施の形態5の半導体パルスレーザは、第1反射鏡領域11及び第2反射鏡領域12の間に設けられた導波路領域14をさらに備える。共振器モードを安定化する導波路領域14を有することにより、可飽和吸収領域15を有するモード同期パルスレーザにおいて、安定的に発振光短パルスの時間波形を調整することが出来る。
The semiconductor pulse laser according to the fifth embodiment further includes a
さらに、実施の形態5の半導体パルスレーザは、第1、第2反射鏡領域11,12と利得領域13とを光学的に結合する多モード干渉カプラ41をさらに備える。これにより、可飽和吸収領域15を有するモード同期パルスレーザにおいて、発振スペクトル幅を外部制御により調整することができ、発振光短パルスの時間波形を調整することが出来る。
Further, the semiconductor pulse laser of the fifth embodiment further includes a
<動作>
可飽和吸収領域15は、内部光強度がその飽和レベルを超えた状態のときに光パルスを共振器の外部に取り出す。エネルギーが外部に放出されることで、飽和レベルを下回って光放出が停止する受動モード同期発振が実現する。
<Operation>
The
あるいは、可飽和吸収領域15に外部から高周波信号を加えることにより、能動的モード同期発振が実現することも知られている。このときの光スペクトル波形は、第1に活性層23および可飽和吸収層25の半導体量子構造で規定され、第2に第1反射鏡領域11及び第2反射鏡領域12の反射スペクトルで制限される。
Alternatively, it is also known that active mode-locked oscillation is realized by applying a high-frequency signal from the outside to the
従来は、反射鏡は1つであり、半導体量子構造の作製後は調整の範囲が極めて限られるために、発振スペクトル波形を外部調整することは困難であった。しかし、実施の形態5の半導体パルスレーザでは、第1回折格子21及び第2回折格子22の反射スペクトルをそれぞれ調整することができ、反射スペクトルの重なり幅103に対応してレーザ発振が起こるので、発振スペクトル波形を所望の幅に調整することが可能である。つまり、そのフーリエ変換の関係にある光パルス時間波形の調整を可能とすることができる。
Conventionally, there is one reflecting mirror, and after the fabrication of the semiconductor quantum structure, since the range of adjustment is extremely limited, it has been difficult to externally adjust the oscillation spectrum waveform. However, in the semiconductor pulse laser of the fifth embodiment, the reflection spectra of the first diffraction grating 21 and the
<効果>
実施の形態5の半導体パルスレーザによれば、上述したように以下の効果を奏する。すなわち、実施の形態5の半導体パルスレーザは、利得領域の光出射側に設けられ、所定の波長域に対して可飽和吸収特性を有する可飽和吸収領域15をさらに備え、第1反射鏡領域11と第2反射鏡領域12は利得領域13に対して可飽和吸収領域15と反対側に並列配置されていることを特徴とする。これにより、可飽和吸収領域15を有するモード同期パルスレーザにおいて、発振スペクトル幅を外部制御により調整することができ、発振光短パルスの時間波形を調整することが出来る。
<Effect>
The semiconductor pulse laser according to the fifth embodiment has the following effects as described above. That is, the semiconductor pulse laser according to the fifth embodiment further includes a
また、実施の形態5の半導体パルスレーザは、第1反射鏡領域11及び第2反射鏡領域12の間に設けられた導波路領域14をさらに備える。共振器モードを安定化する導波路領域14を有することにより、可飽和吸収領域15を有するモード同期パルスレーザにおいて、安定的に発振光短パルスの時間波形を調整することが出来る。
The semiconductor pulse laser according to the fifth embodiment further includes a
さらに、実施の形態5の半導体パルスレーザは、第1、第2反射鏡領域11,12と利得領域13とを光学的に結合する多モード干渉カプラ41をさらに備える。これにより、可飽和吸収領域15を有するモード同期パルスレーザにおいて、発振スペクトル幅を外部制御により調整することができ、発振光短パルスの時間波形を調整することが出来る。
Further, the semiconductor pulse laser of the fifth embodiment further includes a
<変形例>
なお、上記説明において、第1回折格子21と第2回折格子は中心波長を同一に設定した分布ブラッグ反射鏡としたが、実施の形態2と同様に中心波長を異なって設定した分布ブラッグ反射鏡としても良い。あるいは、第1回折格子21と第2回折格子のいずれか又は両方が、実施の形態3と同様にチャープ回折格子反射鏡であっても良い。
<Modification>
In the above description, the first diffraction grating 21 and the second diffraction grating are distributed Bragg reflectors having the same center wavelength. However, the distributed Bragg reflectors having different center wavelengths are set as in the second embodiment. It is also good. Alternatively, either or both of the first diffraction grating 21 and the second diffraction grating may be a chirped diffraction grating reflecting mirror as in the third embodiment.
11 第1反射鏡領域、12 第2反射鏡領域、13 利得領域、14 導波路領域、15 可飽和吸収領域、21 第1回折格子、22 第2回折格子。 11 First reflector region, 12 Second reflector region, 13 Gain region, 14 Waveguide region, 15 Saturable absorption region, 21 First diffraction grating, 22 Second diffraction grating
Claims (10)
前記利得領域と光学的に結合した第1反射鏡領域及び第2反射鏡領域と、を備え、
前記第1反射鏡領域は、第1反射スペクトルを生じさせる第1回折格子を有し、
前記第2反射鏡領域は、第2反射スペクトルを生じさせる第2回折格子を有し、
前記第1反射スペクトルと前記第2反射スペクトルが重なった波長範囲で多モード発振するように、前記第1回折格子と前記第2回折格子が構成されていることを特徴とする、半導体パルスレーザ。 A gain region having a gain for a predetermined wavelength region;
A first reflector region and a second reflector region optically coupled to the gain region;
The first reflector region has a first diffraction grating that produces a first reflection spectrum;
The second reflector region has a second diffraction grating that produces a second reflection spectrum;
The semiconductor pulse laser, wherein the first diffraction grating and the second diffraction grating are configured so that multimode oscillation occurs in a wavelength range in which the first reflection spectrum and the second reflection spectrum overlap.
前記第1反射鏡領域と前記第2反射鏡領域は前記利得領域に対して前記可飽和吸収領域と反対側に並列配置されていることを特徴とする、請求項1に記載の半導体パルスレーザ。 A saturable absorption region provided on the light exit side of the gain region, and having a saturable absorption characteristic for a predetermined wavelength range;
2. The semiconductor pulse laser according to claim 1, wherein the first mirror region and the second mirror region are arranged in parallel on the opposite side of the saturable absorption region with respect to the gain region.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2009084844A JP2010238890A (en) | 2009-03-31 | 2009-03-31 | Semiconductor pulse laser |
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JP2015535143A (en) * | 2012-11-01 | 2015-12-07 | オクラロ テクノロジー リミテッド | Semiconductor DBR laser |
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