JP4301925B2 - Semiconductor laser, driving method of semiconductor laser, and wavelength conversion element - Google Patents

Semiconductor laser, driving method of semiconductor laser, and wavelength conversion element Download PDF

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Description

本発明は光ファイバ通信、特に全光信号処理技術の分野で用いられる超高速光パルスを発生させる半導体レーザ、半導体レーザの駆動方法および波長変換素子に関する。   The present invention relates to a semiconductor laser for generating an ultrafast optical pulse used in the field of optical fiber communication, particularly an all-optical signal processing technique, a semiconductor laser driving method, and a wavelength conversion element.

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インフラストラクチャーである。従来、海底光ケーブルや都市間を結ぶ陸上幹線通信ネットワークを始めとして整備が進められ、光ファイバ通信技術は急速な発展を遂げてきた。現在では、幹線系の1チャネル当たりの通信速度は10〜40Gbpsに及び、将来的には80〜160Gbps以上の超高速・大容量通信の実現も期待されている。   Optical fiber communication technology is an important infrastructure that supports the modern information society. Conventionally, the development of optical fiber communication technology has progressed rapidly, such as submarine optical cables and land trunk line communication networks connecting cities. Currently, the communication speed per channel of the trunk line system ranges from 10 to 40 Gbps, and in the future, it is expected to realize ultra high speed and large capacity communication of 80 to 160 Gbps or more.

現状のシステム構成では、ネットワークのノード部分において光信号が一旦電気信号に変換(E−O変換)されて、リタイミング、波形整形された後に、再度光信号に変換(O−E変換)されて送出されている。しかしながら、数10Gbpsを超えるような超高速光通信システムでは、このような電気信号を介した制御で光信号を処理することはもはや困難であった。すなわち、ノードにおける信号処理速度が次第にネットワーク全体の信号処理速度を制限するボトルネックになりつつあった。かかる問題点を解決し、超高速・大容量通信を実現するためのキー技術が全光信号処理である。   In the current system configuration, an optical signal is once converted into an electrical signal (EO conversion) at the node portion of the network, re-timed and waveform-shaped, and then converted again into an optical signal (OE conversion). It has been sent out. However, in an ultrahigh-speed optical communication system exceeding several tens of Gbps, it is no longer difficult to process an optical signal by such control via an electric signal. That is, the signal processing speed at the node is gradually becoming a bottleneck that limits the signal processing speed of the entire network. All-optical signal processing is a key technology for solving such problems and realizing ultrahigh-speed and large-capacity communication.

全光信号処理では、技術的および経済的観点からネットワークノードに送られてきた光信号を電気信号に変換することなく光信号のままで波形整形や増幅を行った後に送り出す処理が求められている。光−光制御方式を用いた場合の利点として、電気回路のCR時定数により動作速度が制限されないこと、超短パルスの発生が可能な光パルスが直接利用可能な点が挙げられる。   In all-optical signal processing, from the technical and economic viewpoints, there is a need for processing to send an optical signal sent to a network node after performing waveform shaping and amplification as it is without converting it to an electrical signal. . Advantages of using the light-light control method include that the operation speed is not limited by the CR time constant of the electric circuit and that light pulses capable of generating ultrashort pulses can be used directly.

かかる全光信号処理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は必須であり、安定でジッタ、つまり時間軸での信号の揺らぎの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。半導体素子による光クロックパルスの発生は、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も重要である。   Various optical elements are required to realize such all-optical signal processing, but an optical clock pulse in which a short optical pulse is sustained at a constant frequency is indispensable, and it is stable and jitter, that is, signal fluctuation on the time axis. Realization of an optical clock pulse generating element with a small number of elements is demanded. Generation of an optical clock pulse by a semiconductor element is important from the viewpoint of miniaturization of a network system and robustness against vibration.

高速動作可能な光クロックパルスを発生させる従来の半導体素子として、米国特許第6215805号(特許文献1)あるいは米国特許第6122306号(特許文献2)に開示されたセルフパルセーティングDFBレーザ(self-pulsating distributed feedback laser)があった。米国特許第6215805号の図1に示すように、従来のセルフパルセーティングDFB(分布帰還型)レーザはリッジ導波路型構造で、少なくとも2つの電気的に分離された電極を有している。3電極構成の場合は、回折格子を設けた前方DFB領域および後方DFB領域の2つの活性領域が両者の間に設けられた位相制御領域を挟んで集積されている。各領域はエッチング溝で電気的に分離されており、独立に電流注入可能である。また、両端面には反射防止(AR)コーティングが施されている。   As a conventional semiconductor device for generating an optical clock pulse capable of operating at high speed, a self-pulsating DFB laser (self-disclosed) disclosed in US Pat. No. 6,215,805 (Patent Document 1) or US Pat. No. 6,122,306 (Patent Document 2) is used. pulsating distributed feedback laser). As shown in FIG. 1 of US Pat. No. 6,215,805, a conventional self-pulsating DFB (distributed feedback) laser has a ridge waveguide structure and has at least two electrically separated electrodes. In the case of a three-electrode configuration, two active regions, a front DFB region provided with a diffraction grating and a rear DFB region, are integrated with a phase control region provided between them. Each region is electrically isolated by an etching groove, and current can be injected independently. Further, anti-reflection (AR) coating is applied to both end faces.

セルフパルセーティングDFBレーザの繰り返し周波数は、前方DFB領域、後方DFB領域への直流的な注入電流によって調整可能である。位相制御領域は前方DFB領域と後方DFB領域で構成された共振器中の光波の位相を調整してセルフパルセーションのオン・オフを制御し、セルフパルセーション動作を安定させるために設けられている。   The repetition frequency of the self-pulsating DFB laser can be adjusted by direct current injection current into the front DFB region and the rear DFB region. The phase control region is provided to adjust on / off of the self-pulsation by adjusting the phase of the light wave in the resonator composed of the front DFB region and the rear DFB region, and to stabilize the self-pulsation operation. .

次に、上述の米国特許第6215805号に開示された従来のセルフパルセーティングDFBレーザの駆動方法について説明する。素子の動作原理は未だ完全には解明されていないが、以下に説明する分散性自己Qスイッチング(dispersive self Q-switching)が提案されている。一般に、Qスイッチレーザでは、活性層内で強い励起による高い反転分布が生成されているが、初期状態では高い共振器損失が存在するため、レーザ動作が妨げられている。一旦共振器損失が打ち消されると、高いインパルス強度の短パルスが放出される。上記Qスイッチング動作を達成するには、外部に設けた共振器反射鏡の損失を高い状態から低い状態へ急激に変化させる方法、あるいは初期的に共振器中に内部損失を形成した後、その内部損失を取り除くようにする方法があった。   Next, a driving method of the conventional self-pulsating DFB laser disclosed in the above-mentioned US Pat. No. 6,215,805 will be described. Although the operating principle of the device has not yet been fully elucidated, dispersive self Q-switching described below has been proposed. In general, in a Q-switched laser, a high inversion distribution is generated in the active layer due to strong excitation, but since there is a high resonator loss in the initial state, laser operation is hindered. Once the resonator loss is canceled, a short pulse with high impulse intensity is emitted. In order to achieve the above Q switching operation, the loss of the resonator reflector provided outside is rapidly changed from a high state to a low state, or an internal loss is initially formed in the resonator and then the internal There was a way to get rid of the loss.

前方DFB領域はレーザ閾値電流を十分に上回るように強く励起し、後方DFB領域はレーザ閾値電流付近でほぼ透明の状態になる程度に弱く励起する。このとき、前方DFB領域はレーザとして機能し、後方DFB領域は分散性の強い、すなわち反射率の波長依存性が大きい、いわゆる反射ミラーとして機能する。前方DFB領域と後方DFB領域とのそれぞれのブラッグ(Bragg)波長は、当該領域内に注入されたキャリア密度に依存して変化する。前方DFB領域と後方DFB領域間で強く非対称励起すると、2つの領域のブラッグ波長がわずかにずれるデチューニング(離調)状態が発生する。ストップバンドの長波長側では、後方DFB領域からの光反射、つまりフィードバックによって光密度が増大するのでレーザ発振が生じやすい。   The front DFB region is strongly excited so as to sufficiently exceed the laser threshold current, and the rear DFB region is excited weakly so as to be in a substantially transparent state in the vicinity of the laser threshold current. At this time, the front DFB region functions as a laser, and the rear DFB region functions as a so-called reflection mirror having strong dispersibility, that is, having a large wavelength dependency of reflectance. The Bragg wavelengths of the front DFB region and the rear DFB region change depending on the carrier density injected into the region. When strong asymmetric excitation is performed between the front DFB region and the rear DFB region, a detuning state in which the Bragg wavelengths of the two regions slightly shift occurs. On the long wavelength side of the stop band, laser oscillation is likely to occur because the light density is increased by light reflection from the rear DFB region, that is, feedback.

後方DFB領域の反射率が高いとレーザの閾値電流は低減し、逆に後方DFB領域の反射率が低いとレーザの閾値電流は上昇する。ストップバンドの長波長側では、分散性反射ミラーの急峻な反射ピークの裾付近のわずかな波長の変化により、レーザ閾値電流は非常に効率的に変調される。   When the reflectivity of the rear DFB region is high, the threshold current of the laser decreases. Conversely, when the reflectivity of the rear DFB region is low, the threshold current of the laser increases. On the long wavelength side of the stop band, the laser threshold current is modulated very efficiently due to a slight change in wavelength near the bottom of the steep reflection peak of the dispersive reflecting mirror.

例えば、後方DFB領域の反射率が低くて結果的にレーザ閾値電流が上昇すると、共振器内部のキャリア密度も増加して屈折率が低下するため、レーザ発振波長は短波長側にシフトする。そのとき、後方DFB領域の反射率は高くなり、レーザ閾値電流が急減する結果、Qスイッチレーザと同様に短パルスが出力される。レーザ発振によって消費された活性領域中のキャリアが再び電流注入で補充されるまでには時間遅れがあり、この間レーザ発振は停止する。このように後方DFB領域からのフィードバックの最小点付近では、キャリア密度の揺らぎによって後方DFB領域からのフィードバック、すなわち共振器のQ値が大きく変化する。以上の過程を繰り返すことにより、直流の励起電流を用いているにもかかわらずセルフパルセーション動作を持続させることができる。   For example, when the reflectivity of the rear DFB region is low and the laser threshold current increases as a result, the carrier density inside the resonator also increases and the refractive index decreases, so that the laser oscillation wavelength shifts to the short wavelength side. At that time, the reflectivity of the rear DFB region is increased, and as a result of the rapid decrease in the laser threshold current, a short pulse is output as in the Q-switched laser. There is a time delay until carriers in the active region consumed by laser oscillation are replenished by current injection, and laser oscillation stops during this time. Thus, in the vicinity of the minimum point of feedback from the rear DFB region, the feedback from the rear DFB region, that is, the Q value of the resonator greatly changes due to the fluctuation of the carrier density. By repeating the above process, the self-pulsation operation can be maintained despite the use of a direct current excitation current.

従来のセルフパルセーティングDFBレーザでは、光クロックパルスを発生すると共に、発振周波数に近い入力信号に対して同期動作させて、光クロックパルスが再生されていた。入力信号が活性領域で吸収される際に、レーザ領域におけるキャリア密度変動が発生してセルフパルセーション動作が影響を受けるため、周波数の引き込みが生じた。この場合、活性領域を偏波依存性のない引張り歪みバルク結晶で構成しておけば、偏波無依存かつ入力波長とずれていても光クロック再生を行わせることが可能であった。
米国特許第6215805号 米国特許第6122306号
In the conventional self-pulsating DFB laser, an optical clock pulse is generated, and the optical clock pulse is regenerated by synchronizing with an input signal close to the oscillation frequency. When the input signal is absorbed in the active region, a carrier density fluctuation occurs in the laser region, and the self-pulsation operation is affected, so that frequency pull-in occurs. In this case, if the active region is formed of a tensile strain bulk crystal having no polarization dependence, it is possible to perform optical clock regeneration even if it is polarization independent and deviates from the input wavelength.
US Pat. No. 6,215,805 US Pat. No. 6,122,306

従来のセルフパルセーティングDFBレーザでギガヘルツ(GHz)オーダーの高い周波数の光パルスを安定に発生させるには、例えば、300cm-1以上の極めて高い回折格子結合係数(κ)が必要であった。分散性Qスイッチングの場合は、ミラー部分から強いフィードバックを受けた方がセルフパルセーションが起こりやすく、また、ビート型振動の場合は、回折格子結合係数κが高いと2つの領域のレーザがほぼ独立と見なせる状態になるからである。さらに、通常の回折格子結合係数κでは、高いセルフパルセーション周波数の光パルスを発生させることができないからである。しかしながら、高い結合係数を安定に実現するには回折格子を光導波層に極めて近接して作製する必要があり、これを実現するには超微細加工技術が必須となり、製造上多大な困難が伴った。よって、従来のセルフパルセーティングDFBレーザでは、安定なセルフパルセーション動作が実現できる条件の範囲が極めて狭く、100GHzを超えるセルフパルセーション動作も実験的には未だ報告されていなかった。 In order to stably generate optical pulses having a high frequency on the order of gigahertz (GHz) with a conventional self-pulsating DFB laser, for example, an extremely high diffraction grating coupling coefficient (κ) of 300 cm −1 or more is required. In the case of dispersive Q-switching, self-pulsation is more likely to occur when receiving strong feedback from the mirror part. In the case of beat-type vibration, if the diffraction grating coupling coefficient κ is high, the lasers in the two regions are almost independent. It will be in a state that can be considered. Further, it is because a normal self-pulsation frequency optical pulse cannot be generated with a normal diffraction grating coupling coefficient κ. However, in order to stably realize a high coupling coefficient, it is necessary to fabricate the diffraction grating very close to the optical waveguide layer, and in order to realize this, an ultra-fine processing technique is indispensable. It was. Therefore, in the conventional self-pulsating DFB laser, the range of conditions under which stable self-pulsation operation can be realized is extremely narrow, and self-pulsation operation exceeding 100 GHz has not been reported experimentally.

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、通常の製造方法下で安定でかつ高い発振周波数のセルフパルセーション動作を実現できる半導体レーザ、半導体レーザの駆動方法および波長変換素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and is a semiconductor laser capable of realizing a self-pulsation operation with a stable and high oscillation frequency under a normal manufacturing method, a semiconductor laser driving method, and An object is to provide a wavelength conversion element.

本発明に係る半導体レーザは、第1導電型の半導体基板と、第1導電型クラッド層と、光導波層と、前方DFB領域と、後方DFBあるいはDBR領域と、第2導電型クラッド層とを備えている。第1導電型クラッド層は、半導体基板上に形成されている。光導波層は、第1導電型クラッド層に形成されている。前方DFB領域は、光導波層を一部に含みレーザ光出射方向に対して前方に位置し光導波層面に近接した回折格子を具備している。後方DFBあるいはDBR領域は、光導波層を一部に含みレーザ光出射方向に対して後方に位置し光導波層面に近接した回折格子を具備し、前方DFB領域とは電気的に分離されている。第2導電型クラッド層は、回折格子を埋め込むように形成されている。前方DFB領域の回折格子が一部に位相シフト部分を有している。前方DFB領域と後方DFBあるいはDBR領域との各々に電流を注入することによって生じる前方DFB領域のストップバンド内のレーザ発振波長と前方DFB領域のストップバンド端部のレーザ発振波長との両方が、後方DFBあるいはDBR領域により生じるストップバンド内の高反射率部に位置するように、後方DFBあるいはDBR領域の回折格子が調整されている。前方DFB領域の回折格子の周期と後方DFBあるいはDBR領域の回折格子の周期が異なっている。 A semiconductor laser according to the present invention includes a first conductivity type semiconductor substrate, a first conductivity type cladding layer, an optical waveguide layer, a front DFB region, a rear DFB or DBR region, and a second conductivity type cladding layer. I have. The first conductivity type cladding layer is formed on the semiconductor substrate. The optical waveguide layer is formed on the first conductivity type cladding layer. The front DFB region includes a diffraction grating that includes the optical waveguide layer as a part and is positioned in front of the laser beam emission direction and close to the optical waveguide layer surface. The rear DFB or DBR region includes a diffraction grating that partially includes the optical waveguide layer and is positioned rearward with respect to the laser beam emission direction and close to the surface of the optical waveguide layer, and is electrically separated from the front DFB region. . The second conductivity type cladding layer is formed so as to embed the diffraction grating. The diffraction grating in the front DFB region has a phase shift portion in part. Both the laser oscillation wavelength in the stop band of the front DFB region and the laser oscillation wavelength at the end of the stop band of the front DFB region generated by injecting current into each of the front DFB region and the rear DFB or DBR region are The diffraction grating in the rear DFB or DBR region is adjusted so as to be positioned in a high reflectivity portion in the stop band generated by the DFB or DBR region. The period of the diffraction grating in the front DFB region is different from the period of the diffraction grating in the rear DFB or DBR region.

本発明に係る半導体レーザでは、前方DFB領域と後方DFBあるいはDBR領域との各々に電流を注入することによって生じる前方DFB領域のストップバンド内のレーザ発振波長と前方DFB領域のストップバンド端部のレーザ発振波長との両方が、後方DFBあるいはDBR領域により生じるストップバンド内の高反射率部に位置するように、後方DFBあるいはDBR領域の回折格子が調整されているため、安定なセルフパルセーション動作を実現できる半導体レーザが得られる。   In the semiconductor laser according to the present invention, the laser oscillation wavelength in the stop band of the front DFB region generated by injecting current into each of the front DFB region and the rear DFB or DBR region, and the laser at the end of the stop band of the front DFB region Since the diffraction grating in the rear DFB or DBR region is adjusted so that both the oscillation wavelength and the oscillation wavelength are located in the high reflectivity part in the stop band generated by the rear DFB or DBR region, stable self-pulsation operation is achieved. A semiconductor laser that can be realized is obtained.

以下、この発明の実施の形態について図に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における半導体レーザの構成を示す概観図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of a semiconductor laser according to Embodiment 1 of the present invention.

図1を参照して、本実施の形態の半導体レーザでは、n型インジウム燐(InP)基板(第1導電型の半導体基板)1上にn型InPクラッド層(第1導電型InPクラッド層)2が形成されている。このn型InPクラッド層2にインジウムガリウム砒素燐(InGaAsP)光導波層3が形成されている。また、光導波層3上にp型InPクラッド層(第2導電型InPクラッド層)4が形成されている。このp型InPクラッド層4には回折格子5が埋め込まれるように設けられている。回折格子5の一部には位相シフト部分6が形成されている。p型InPクラッド層4上にはp型InGaAsPコンタクト層7が形成されている。光導波層3側面には電流を狭窄するための高抵抗InP電流閉じ込め層8が形成されている。エッチングによって形成された分離溝9a、9bによって各領域が電気的に分離されている。n型InP基板1の裏面側にはn型電極20が設けられている。p型InGaAsPコンタクト層7上にはp型電極21a、21b、21cのそれぞれが、分離溝9a、9b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。このように本実施の形態の半導体レーザは多電極構造のレーザである。   Referring to FIG. 1, in the semiconductor laser of the present embodiment, an n-type InP clad layer (first conductivity type InP clad layer) is formed on an n-type indium phosphorus (InP) substrate (first conductivity type semiconductor substrate) 1. 2 is formed. An indium gallium arsenide phosphorus (InGaAsP) optical waveguide layer 3 is formed on the n-type InP cladding layer 2. A p-type InP cladding layer (second conductivity type InP cladding layer) 4 is formed on the optical waveguide layer 3. A diffraction grating 5 is embedded in the p-type InP cladding layer 4. A phase shift portion 6 is formed in a part of the diffraction grating 5. A p-type InGaAsP contact layer 7 is formed on the p-type InP cladding layer 4. A high resistance InP current confinement layer 8 for confining current is formed on the side surface of the optical waveguide layer 3. Each region is electrically separated by separation grooves 9a and 9b formed by etching. An n-type electrode 20 is provided on the back side of the n-type InP substrate 1. On the p-type InGaAsP contact layer 7, p-type electrodes 21a, 21b, and 21c are provided so as to be separated from each other and electrically separated by separation grooves 9a and 9b. Thus, the semiconductor laser of the present embodiment is a multi-electrode laser.

本実施の形態の半導体レーザでは、光導波層3として0.2%程度の引張歪みバルク結晶層を用いており、外部入力信号光に対して偏波無依存かつ広い波長範囲にわたって同期動作させることができるようにしている。   In the semiconductor laser according to the present embodiment, a tensile strain bulk crystal layer of about 0.2% is used as the optical waveguide layer 3, and it is independent of polarization with respect to the external input signal light and is operated synchronously over a wide wavelength range. To be able to.

図2は、図1の半導体レーザの共振器方向の断面図(図1中のIIで表された面)である。   2 is a cross-sectional view of the semiconductor laser shown in FIG. 1 in the direction of the resonator (surface represented by II in FIG. 1).

図2を参照して、半導体レーザの両端面の各々に低反射率(AR)膜30が形成されている。半導体レーザは、前方DFB領域101と、位相制御領域(前方−後方間位相制御領域)102と、後方DFB領域103とを有している。位相制御領域102は、前方DFB領域101と後方DFB領域103との間に位置し、かつ前方DFB領域101と後方DFB領域103との各々から電気的に分離されている。   Referring to FIG. 2, low reflectance (AR) films 30 are formed on both end faces of the semiconductor laser. The semiconductor laser has a front DFB region 101, a phase control region (front-rear phase control region) 102, and a rear DFB region 103. The phase control region 102 is located between the front DFB region 101 and the rear DFB region 103 and is electrically separated from each of the front DFB region 101 and the rear DFB region 103.

前方DFB領域101および後方DFB領域103の各々では、光導波層3に近接し、かつp型InPクラッド層4に埋め込まれた回折格子5が設けられている。前方DFB領域101の回折格子5の一部には、2λ/9シフト部分6が形成されている。   Each of the front DFB region 101 and the rear DFB region 103 is provided with a diffraction grating 5 that is close to the optical waveguide layer 3 and embedded in the p-type InP cladding layer 4. A 2λ / 9 shift portion 6 is formed in a part of the diffraction grating 5 in the front DFB region 101.

前方DFB領域101と後方DFB領域103との間には、従来例と同様にセルフパルセーション動作のオン・オフを制御するための位相制御領域102が設けられている。ただし、前方DFB領域101と後方DFB領域103との間の位相シフト量を素子作製の段階で−λ/10〜λ/4の範囲に合わせることができるならば、位相制御領域102を省略して前方DFB領域101と後方DFB領域103のみの2電極構成にすることも可能である。   Between the front DFB region 101 and the rear DFB region 103, a phase control region 102 for controlling on / off of the self-pulsation operation is provided as in the conventional example. However, if the phase shift amount between the front DFB region 101 and the rear DFB region 103 can be adjusted to the range of −λ / 10 to λ / 4 at the element fabrication stage, the phase control region 102 is omitted. A two-electrode configuration having only the front DFB region 101 and the rear DFB region 103 may be employed.

なお、前方DFB領域101の回折格子5の周期と後方DFB領域103の回折格子5の周期が異なっていてもよい。   The period of the diffraction grating 5 in the front DFB region 101 and the period of the diffraction grating 5 in the rear DFB region 103 may be different.

次に、本実施の形態の半導体レーザの動作を説明する。   Next, the operation of the semiconductor laser according to the present 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21a、21b、21cが分離溝9a、9bによって電気的に分離された3つの領域に分割され、前方DFB領域101、位相制御領域102および後方DFB領域103のそれぞれの光導波層3に独立に電流を注入できる構成を有している。すなわち、p型電極21aから前方DFB領域101へ、p型電極21bから位相制御領域102へ、p型電極21cから後方DFB領域103へそれぞれ独立に電流が注入される。   As described above, the semiconductor laser of the present embodiment is divided into three regions in which the p-type electrodes 21a, 21b, and 21c are electrically separated by the separation grooves 9a and 9b, and the front DFB region 101 and the phase control region 102 are divided. In addition, a current can be injected independently into each of the optical waveguide layers 3 in the rear DFB region 103. That is, current is independently injected from the p-type electrode 21a to the front DFB region 101, from the p-type electrode 21b to the phase control region 102, and from the p-type electrode 21c to the rear DFB region 103.

p型電極21aを介して前方DFB領域101へ電流を注入することにより前方DFB領域101の光導波層3で強い励起状態が生じる結果、前方DFB領域101では、導入した位相シフト6に起因する、単体DFBレーザの発振モードに近い性質の発振モードがストップバンド内波長に生じる。一方、前方DFB領域101のストップバンド端部では、位相制御領域102で与える位相の大きさを調整すると、前方DFB領域101と後方DFB領域103とが結合キャビティーを形成して、前記発振モードとは異なる発振モードが生じる。これら2種類の発振モードが同時に発振することにより、モードの波長差に相当する繰返し周波数でのセルフパルセーションが生じる。   When a current is injected into the front DFB region 101 through the p-type electrode 21a, a strong excited state is generated in the optical waveguide layer 3 of the front DFB region 101. As a result, in the front DFB region 101, the phase shift 6 is caused. An oscillation mode close to the oscillation mode of the single DFB laser is generated at the wavelength in the stop band. On the other hand, at the end of the stop band of the front DFB region 101, when the phase magnitude given by the phase control region 102 is adjusted, the front DFB region 101 and the rear DFB region 103 form a coupling cavity, and the oscillation mode Produces different oscillation modes. Since these two types of oscillation modes oscillate simultaneously, self-pulsation occurs at a repetition frequency corresponding to the wavelength difference between the modes.

次に、本実施の形態の半導体レーザの素子構造について、シミュレーション解析した結果を説明する。   Next, the results of simulation analysis of the element structure of the semiconductor laser according to the present embodiment will be described.

回折格子5の結合係数を150cm-1程度、前方DFB領域101と後方DFB領域103との長さが共に300μmで、位相制御領域102での位相シフト量をλ/10に設定した半導体レーザにおいて、前方DFB領域101に位相シフトを導入した素子構造での、タイムドメイン解析による特性シミュレーションを実施した。 In the semiconductor laser in which the coupling coefficient of the diffraction grating 5 is about 150 cm −1 , the lengths of the front DFB region 101 and the rear DFB region 103 are both 300 μm, and the phase shift amount in the phase control region 102 is set to λ / 10. A characteristic simulation based on time domain analysis was performed on an element structure in which a phase shift was introduced into the front DFB region 101.

回折格子5を含み、利得を有する単一モード光導波路の中での前進波の複素電場F(t、z)と後退波の複素電場R(t、z)との関係は、一般に下記のような時間に依存する2つの結合波方程式で記述することができる。   The relationship between the complex electric field F (t, z) of the forward wave and the complex electric field R (t, z) of the backward wave in the single mode optical waveguide including the diffraction grating 5 and having gain is generally as follows. It can be described by two coupled wave equations that depend on time.

Figure 0004301925
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Figure 0004301925
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ここで、vgは導波路中の光の群速度、κは回折格子の結合係数、gは電場利得、δは回折格子のブラッグ波長からのずれを表す量、ispは自然放出光からの寄与を表している。解析対象の素子を多数のセクションに分割し、各セクション内部でのキャリア密度と電場密度とを一様に近似すると共に、時間の刻み幅に応じた空間的な刻み幅を適切に選択して、前進波と後退波との複素電場の時間発展を数値計算し、最終的に出力光強度の時間変化を求めた。また、出力光強度のフーリエ変換を行い、発振スペクトルを求めた。 Here, v g is the group velocity of light in the waveguide, kappa is the coupling coefficient of the diffraction grating, g is the electric field gain, [delta] is the amount representing the deviation from the Bragg wavelength of the grating, i sp is from spontaneous emission Represents the contribution. The element to be analyzed is divided into a number of sections, and the carrier density and electric field density within each section are uniformly approximated, and the spatial step size corresponding to the time step size is appropriately selected. The time evolution of the complex electric field of the forward wave and the backward wave was numerically calculated, and finally the time change of the output light intensity was obtained. Further, the output light intensity was subjected to Fourier transform to obtain an oscillation spectrum.

前方DFB領域101の中央にλ/4シフトを導入し、後方DFB領域103の回折格子5を前方DFB領域101の回折格子5よりも長波長側に2nmだけ離調させた構造の素子で、セルフパルセーション動作のシミュレーションを行って得られた出力光時間波形と、レーザ発振スペクトルと、前方DFB領域101および後方DFB領域103のそれぞれから計算される反射スペクトルとのそれぞれの計算結果の一例を、図3、図4、図5のそれぞれに示す。反射スペクトルは、素子の導波路屈折率の虚部をゼロとして、実部の効果のみを考慮して計算した値を示した。   An element having a structure in which a λ / 4 shift is introduced at the center of the front DFB region 101 and the diffraction grating 5 of the rear DFB region 103 is detuned by 2 nm to the longer wavelength side than the diffraction grating 5 of the front DFB region 101. An example of the calculation results of the output optical time waveform obtained by simulating the pulsation operation, the laser oscillation spectrum, and the reflection spectrum calculated from each of the front DFB region 101 and the rear DFB region 103 is shown in FIG. 3, FIG. 4, and FIG. The reflection spectrum showed a value calculated considering only the effect of the real part, with the imaginary part of the waveguide refractive index of the element being zero.

図3を参照して、超高周波のセルフパルセーション波形が示されている。また、前述のように、発振スペクトルは図4に示すように2つの主な発振モードからなる。図4における短波長側の発振モード波長は、図5に示すように前方DFB領域101のストップバンド内に位置し、導入した位相シフト6に起因する単体DFBレーザの発振モードに近い性質を有する。これに対し、図4に示す長波長側の発振モード波長は、図5に示すように前方DFB領域101のストップバンド端部に位置し、前方DFB領域101と後方DFB領域103とが結合キャビティーを形成したことによって生じる発振モードである。これら2種類の発振モードが同時に発振することにより、モードの波長差に相当する繰返し周波数でのセルフパルセーションが生じる。   Referring to FIG. 3, an ultra high frequency self-pulsation waveform is shown. Further, as described above, the oscillation spectrum consists of two main oscillation modes as shown in FIG. The oscillation mode wavelength on the short wavelength side in FIG. 4 is located in the stop band of the front DFB region 101 as shown in FIG. 5 and has a property close to the oscillation mode of the single DFB laser caused by the introduced phase shift 6. On the other hand, the oscillation mode wavelength on the long wavelength side shown in FIG. 4 is located at the end of the stop band of the front DFB region 101 as shown in FIG. 5, and the front DFB region 101 and the rear DFB region 103 are coupled to each other. This is an oscillation mode generated by forming. Since these two types of oscillation modes oscillate simultaneously, self-pulsation occurs at a repetition frequency corresponding to the wavelength difference between the modes.

長波長側のモードの発振波長は、位相制御領域102で与える位相を可変することによりストップバンド端部の範囲内で調整できるので、2つのモードの波長差、つまり繰返し周波数が調整できる。これにより、本素子を所定の繰返し周波数近傍で動作させるようにしておけば、位相調整により最終的に所定の繰返し周波数で動作させることができる。たとえば、光ファイバ通信の搬送波周波数で本素子を動作させ、光注入同期をさせることにより、ノードにおけるクロック再生機能が実現できる。   The oscillation wavelength of the longer wavelength mode can be adjusted within the range of the end of the stop band by varying the phase given by the phase control region 102, so that the wavelength difference between the two modes, that is, the repetition frequency can be adjusted. Thus, if this element is operated near a predetermined repetition frequency, it can be finally operated at a predetermined repetition frequency by phase adjustment. For example, the clock regeneration function at the node can be realized by operating this element at the carrier frequency of optical fiber communication and synchronizing the light injection.

前述の動作機構によるセルフパルセーションを安定に生じさせるために、図4に示す2つの発振モードの波長(前方DFB領域101のストップバンド内のレーザ発振波長とストップバンド端部のレーザ発振波長)の両方が、図5に示すように後方DFB領域103のストップバンド内の高反射率部に位置するように、後方DFB領域103の回折格子5のブラッグ波長があらかじめ設定され、素子駆動条件が調整されている。その理由は、発振モード波長が後方DFB領域103のストップバンド端部に位置する場合には、前述の動作機構とは異なり、分散Qスイッチ機構による繰返し20GHz程度の比較的低周波数のセルフパルセーションが生じ易くなり、また、後方DFB領域103の低反射率部に位置する場合には、前方DFB領域101への帰還が弱まり、単一モードで発振し易くなるからである。   In order to stably generate the self-pulsation by the operation mechanism described above, the wavelengths of the two oscillation modes shown in FIG. 4 (the laser oscillation wavelength in the stop band of the front DFB region 101 and the laser oscillation wavelength at the end of the stop band) are shown. As shown in FIG. 5, the Bragg wavelength of the diffraction grating 5 in the rear DFB region 103 is set in advance so that the element driving conditions are adjusted so that both are located in the high reflectivity portion in the stop band of the rear DFB region 103. ing. The reason is that when the oscillation mode wavelength is located at the end of the stop band of the rear DFB region 103, unlike the operation mechanism described above, the self-pulsation at a relatively low frequency of about 20 GHz is repeatedly performed by the distributed Q switch mechanism. This is because it tends to occur, and when it is located in the low reflectivity portion of the rear DFB region 103, feedback to the front DFB region 101 is weakened, and oscillation in a single mode is likely to occur.

また、位相シフト部6の導入により生じる前方DFB領域101のストップバンド内のレーザ発振波長が、同ストップバンドの端部波長に対して0.3nm以上5.5nm以下の所望の波長間隔となるように位相シフト量の大きさが調整されている。波長間隔を前方DFB領域のストップバンドの幅以上にすることには困難があるが、素子長や回折格子結合定数の仕様を最適化することにより、ストップバンド幅を5.5nm程度まで大きくすることが可能である。また、ビート型振動によるセルフパルセーションが安定して生じるためには、波長間隔が0.3nm以上であることが望ましい。   Further, the laser oscillation wavelength in the stop band of the front DFB region 101 generated by the introduction of the phase shift unit 6 is set to a desired wavelength interval of 0.3 nm to 5.5 nm with respect to the end wavelength of the stop band. The amount of phase shift is adjusted. Although it is difficult to make the wavelength interval larger than the width of the stop band in the front DFB region, the stop band width should be increased to about 5.5 nm by optimizing the specifications of the element length and diffraction grating coupling constant. Is possible. Further, in order for self-pulsation due to beat-type vibration to occur stably, the wavelength interval is desirably 0.3 nm or more.

前述の動作機構によるセルフパルセーションの周波数は、前方DFB領域101の位相シフト量を変えることで大幅に変えることができる。図6に、前述の素子において位相シフトの大きさを変えた場合のパルセーション周波数の計算結果を示した。   The frequency of self-pulsation by the above-described operation mechanism can be changed greatly by changing the phase shift amount of the front DFB region 101. FIG. 6 shows a calculation result of the pulsation frequency when the magnitude of the phase shift is changed in the above-described element.

図6を参照して、位相シフト量の値が増加するにしたがって、パルセーション周波数が増加することがわかる。これは、短波長側の発振モードが短波長化するためである。また、回折格子5の結合係数はストップバンド幅に影響するため、パルセーション周波数に影響を与える。このように、回折格子5の結合係数や位相シフト、DFB領域長、離調は素子の設計パラメータであり、かかるパラメータの設計値を変えることにより様々なセルフパルセーション波形が選択可能となる。たとえば、位相シフトλ/4の素子では、回折格子5の離調の値がたとえば0〜3nmの範囲にあり回折格子5の結合定数が100〜150cm-1程度にある場合、前述の動作機構によるセルフパルセーションが生じる。 Referring to FIG. 6, it can be seen that the pulsation frequency increases as the value of the phase shift amount increases. This is because the oscillation mode on the short wavelength side is shortened. In addition, since the coupling coefficient of the diffraction grating 5 affects the stop band width, it affects the pulsation frequency. As described above, the coupling coefficient, phase shift, DFB region length, and detuning of the diffraction grating 5 are design parameters of the element, and various self-pulsation waveforms can be selected by changing the design values of these parameters. For example, in the element of phase shift λ / 4, when the detuning value of the diffraction grating 5 is in the range of 0 to 3 nm, for example, and the coupling constant of the diffraction grating 5 is about 100 to 150 cm −1 , Self-pulsation occurs.

また、前述のように位相制御領域102の位相により長波長側の発振モードの波長が調整できるが、可能な調整範囲を図6の長方形の領域で示した。たとえば、位相シフト量がλ/9ではパルセーション周波数が80±20GHz、位相シフト量が2λ/9ではパルセーション周波数が160±20GHz、位相シフト量が4λ/9ではパルセーション周波数が320±20GHz程度の値となり、超高速の時分割多重光通信における信号用パルス光源やクロック再生に適した素子として使用することができる。   Further, as described above, the wavelength of the oscillation mode on the long wavelength side can be adjusted by the phase of the phase control region 102, but a possible adjustment range is shown by a rectangular region in FIG. For example, when the phase shift amount is λ / 9, the pulsation frequency is 80 ± 20 GHz, when the phase shift amount is 2λ / 9, the pulsation frequency is 160 ± 20 GHz, and when the phase shift amount is 4λ / 9, the pulsation frequency is about 320 ± 20 GHz. Thus, it can be used as a signal pulse light source or an element suitable for clock recovery in ultra-high-speed time division multiplexing optical communication.

なお、後方DFB領域103をレーザ発振波長で透明な光導波層により構成したDBR(Distributed Bragg Reflector:分布反射型)領域で置き換えた構造の素子でも、前述の機構によるセルフパルセーション動作を同様に生じさせることが可能である。また、位相制御領域102をレーザ発振波長で利得を有する活性層により形成した構造の素子においても、前述の機構によるセルフパルセーション動作を同様に起こすことが可能である。また、位相シフト6を導入する個数および位置は、単一および回折格子の中央に限定されるものではなく、導入個数と位置との調整により、レーザ発振波長やパルセーション周波数を調整することができる。   Note that the self-pulsation operation by the above-described mechanism similarly occurs even in an element having a structure in which the rear DFB region 103 is replaced with a DBR (Distributed Bragg Reflector) region configured by a transparent optical waveguide layer at a laser oscillation wavelength. It is possible to make it. Further, even in an element having a structure in which the phase control region 102 is formed of an active layer having a gain at the laser oscillation wavelength, the self-pulsation operation by the above-described mechanism can be similarly caused. The number and position of introducing the phase shift 6 are not limited to the single and the center of the diffraction grating, and the laser oscillation wavelength and pulsation frequency can be adjusted by adjusting the number and position of introduction. .

本実施の形態の半導体レーザは、光導波層3の共振器方向のストライプ形状をエッチングで形成した後に、光導波層3の両側面部分に電流閉じ込め層8を埋め込み結晶成長で形成して、電流狭窄を行う構成を有している。このため、光導波層3に効率良く電流を注入可能となることに加えて、共振器方向にわたって光導波層3内でレーザ発振に寄与する活性な領域と反射ミラーや位相調整等の非活性な領域との結合損失を顕著に低減する結果、低損失な光導波路を形成でき、高効率でセルフパルセーション動作を行うことが可能となる。   In the semiconductor laser according to the present embodiment, the stripe shape in the resonator direction of the optical waveguide layer 3 is formed by etching, and then a current confinement layer 8 is formed by embedding crystal growth on both side portions of the optical waveguide layer 3 to obtain a current. It has a configuration for narrowing. For this reason, in addition to being able to inject current efficiently into the optical waveguide layer 3, an active region contributing to laser oscillation in the optical waveguide layer 3 in the direction of the resonator and an inactive state such as a reflection mirror and phase adjustment. As a result of significantly reducing the coupling loss with the region, it is possible to form a low-loss optical waveguide and to perform self-pulsation operation with high efficiency.

なお、本実施の形態の半導体レーザでは、活性領域の両側面部分を電流閉じ込め層8で埋め込み成長して電流狭窄を行う構成にしているが、従来の半導体レーザと同様にリッジ導波路の構成にしてもほぼ同様の効果が得られる。   In the semiconductor laser of this embodiment, both sides of the active region are buried and grown with the current confinement layer 8 to confine the current. However, like the conventional semiconductor laser, a ridge waveguide is used. However, almost the same effect can be obtained.

また、本実施の形態の半導体レーザでは光導波層3として0.2%程度の引張歪みバルクを用いているが、外部入力信号光に対して応答可能な波長範囲が狭くなり、偏波依存性が生じることを許容すれば、光導波層3は多重量子井戸(MQW:multiple quantum well)で構成されてもよい。   Further, in the semiconductor laser of the present embodiment, a tensile strain bulk of about 0.2% is used as the optical waveguide layer 3, but the wavelength range capable of responding to the external input signal light is narrowed, and the polarization dependence If it is allowed to occur, the optical waveguide layer 3 may be composed of a multiple quantum well (MQW).

以上、実施の形態1によれば、2つの発振モードの波長(前方DFB領域101のストップバンド内のレーザ発振波長とストップバンド端部のレーザ発振波長)の両方が、後方DFB領域103のストップバンド内の高反射率部に位置するように、後方DFB領域103の回折格子5が調整されているため、通常の製造方法によって作製可能で、かつ安定なセルフパルセーション動作を実現できる半導体レーザが得られる。   As described above, according to the first embodiment, both of the wavelengths of the two oscillation modes (the laser oscillation wavelength in the stop band of the front DFB region 101 and the laser oscillation wavelength at the end of the stop band) are the stop band of the rear DFB region 103. Since the diffraction grating 5 in the rear DFB region 103 is adjusted so as to be located in the high reflectance portion, a semiconductor laser that can be manufactured by a normal manufacturing method and can realize a stable self-pulsation operation is obtained. It is done.

(実施の形態2)
図7は、本発明の実施の形態2における半導体レーザの構成を示す概略断面図である。
(Embodiment 2)
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor laser according to the second embodiment of the present invention.

図7を参照して、本実施の形態の半導体レーザでは、前方DFB領域101の中央部分と後方DFB領域103の中央部分にそれぞれ2λ/9に相当する位相シフト6a、6bが設けられている。本実施の形態のその他の構造は、実施の形態1の構成と同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。   Referring to FIG. 7, in the semiconductor laser according to the present embodiment, phase shifts 6a and 6b corresponding to 2λ / 9 are provided in the central portion of front DFB region 101 and the central portion of rear DFB region 103, respectively. Since the other structure of the present embodiment is the same as that of the first embodiment, the same constituent elements are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

実施の形態1と同様のシミュレーションにより、発振スペクトルは前方DFB領域101のストップバンド内の発振モードと前方DFB領域101のストップバンド端部の発振モードとの2つの主な発振モードとからなり、各発振モードの性質も実施の形態1の場合と同様であることがわかる。これら2種類の発振モードが同時に発振することにより、モードの波長差に相当する繰返し周波数でのセルフパルセーションが生じる。本実施の形態でも、セルフパルセーションを安定に生じさせるためには、2つの発振モードの波長が、いずれも後方DFB領域103のストップバンド内の高反射率部に位置するように、後方DFB領域103の回折格子5のブラッグ波長をあらかじめ設定すること、および素子駆動条件を調整することが望ましい。   According to the same simulation as in the first embodiment, the oscillation spectrum is composed of two main oscillation modes: an oscillation mode in the stop band of the front DFB region 101 and an oscillation mode at the end of the stop band of the front DFB region 101. It can be seen that the nature of the oscillation mode is the same as in the first embodiment. Since these two types of oscillation modes oscillate simultaneously, self-pulsation occurs at a repetition frequency corresponding to the wavelength difference between the modes. Also in the present embodiment, in order to stably generate self-pulsation, the rear DFB region is such that the wavelengths of the two oscillation modes are both located in the high reflectivity portion in the stop band of the rear DFB region 103. It is desirable to set the Bragg wavelength of the diffraction grating 5 103 in advance and adjust the element driving conditions.

本実施の形態では、後方DFB領域103のストップバンドの形状が実施の形態1と異なるが、2種類の発振モード波長をいずれも後方DFB領域103のストップバンド内の高反射率部に位置するように調整することが、実施の形態1の場合と同様に可能である。位相シフト量を変化させることによるパルセーション周波数の可変範囲は、主に前方DFB領域101のストップバンド幅に対応しており、実施の形態1の場合と同様である。後方DFB領域103の回折格子5にも位相シフト6bを設けるようにしたことで後方DFB領域103の反射率を制御することができ、前述の機構でのセルフパルセーション動作を容易に得ることができる。   In the present embodiment, the shape of the stop band of the rear DFB region 103 is different from that of the first embodiment, but the two types of oscillation mode wavelengths are both positioned in the high reflectivity portion in the stop band of the rear DFB region 103. It is possible to adjust to the same as in the first embodiment. The variable range of the pulsation frequency by changing the phase shift amount mainly corresponds to the stop bandwidth of the front DFB region 101, and is the same as in the first embodiment. Since the phase shift 6b is also provided in the diffraction grating 5 of the rear DFB region 103, the reflectance of the rear DFB region 103 can be controlled, and the self-pulsation operation by the above-described mechanism can be easily obtained. .

(実施の形態3)
図8は、本発明の実施の形態3における半導体レーザの構成を示す概略断面図である。
(Embodiment 3)
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor laser according to the third embodiment of the present invention.

図8を参照して、本実施の形態の半導体レーザでは、前方DFB領域101は、2箇所のDFB領域101a、101bと、それらの間に設けた位相制御領域(前方DFB用位相制御領域)102aとの3領域から構成されている。この位相制御領域102aは各領域から電気的に分離されている。本実施の形態の半導体レーザは、さらに、後方DFB領域103と、位相制御領域102bとを有しており、全体で5領域から構成されている。位相制御領域102bは、前方DFB領域101と後方DFB領域103との間に設けられている。   Referring to FIG. 8, in the semiconductor laser of the present embodiment, front DFB region 101 includes two DFB regions 101a and 101b, and a phase control region (forward DFB phase control region) 102a provided therebetween. And 3 regions. This phase control region 102a is electrically separated from each region. The semiconductor laser according to the present embodiment further includes a rear DFB region 103 and a phase control region 102b, and is composed of five regions as a whole. The phase control region 102 b is provided between the front DFB region 101 and the rear DFB region 103.

回折格子5の結合係数はそれぞれ150cm-1程度であり、後方DFB領域103の回折格子5は、前方DFB領域101の回折格子5より2nmだけ長波調側に離調させている。前方DFB領域101の2箇所のDFB領域101a、101bの長さは、各150μmであり、後方DFB領域103の長さは、300μmである。 The coupling coefficients of the diffraction gratings 5 are each about 150 cm −1 , and the diffraction gratings 5 in the rear DFB region 103 are detuned by 2 nm from the diffraction gratings 5 in the front DFB region 101 toward the long wave side. The lengths of the two DFB regions 101a and 101b in the front DFB region 101 are each 150 μm, and the length of the rear DFB region 103 is 300 μm.

前方DFB領域101の2箇所のDFB領域101a、101bを同程度の電流密度で駆動し、位相制御領域102aの駆動電流を可変して与える位相を可変することで、本実施の形態の前方DFB領域101を位相シフト量可変の単体DFB領域と同様に動作させることができる。つまり、実施の形態1で説明した前方DFB領域101の単体DFBレーザの発振モードに近い性質の発振モード波長をストップバンド内で可変させることができる。一方、実施の形態1の場合と同様に、前方DFB領域101のストップバンド端部では、位相制御領域で与える位相の大きさを調整すると、前方DFB領域101と後方DFB領域103とが結合キャビティーを形成して、前記発振モードとは異なる発振モードが生じる。これら2種類の発振モードが同時に発振することにより、モードの波長差に相当する繰返し周波数でのセルフパルセーションが生じる。   By driving the two DFB regions 101a and 101b of the front DFB region 101 with the same current density and varying the phase applied by varying the drive current of the phase control region 102a, the front DFB region of the present embodiment 101 can be operated in the same manner as a single DFB region having a variable phase shift amount. That is, the oscillation mode wavelength having a property close to that of the single DFB laser in the front DFB region 101 described in the first embodiment can be varied within the stop band. On the other hand, as in the first embodiment, at the end of the stop band of the front DFB region 101, when the magnitude of the phase applied in the phase control region is adjusted, the front DFB region 101 and the rear DFB region 103 are coupled to each other. Thus, an oscillation mode different from the oscillation mode is generated. Since these two types of oscillation modes oscillate simultaneously, self-pulsation occurs at a repetition frequency corresponding to the wavelength difference between the modes.

実施の形態1で説明したように、セルフパルセーション周波数は、前方DFB領域101の位相シフト量を変えることで大幅に変えることができる。本実施の形態では、前方DFB領域101に含まれる位相制御領域102aの位相シフト量を電気的に可変することにより、同一の素子で40〜400GHzの広い周波数範囲にわたってパルセーション周波数を変化させることができる。このような素子は、超高速の時分割多重光通信における信号用パルス光源やクロック再生に適した素子として使用することができる。   As described in the first embodiment, the self-pulsation frequency can be significantly changed by changing the phase shift amount of the front DFB region 101. In the present embodiment, the pulsation frequency can be changed over a wide frequency range of 40 to 400 GHz with the same element by electrically varying the phase shift amount of the phase control region 102a included in the front DFB region 101. it can. Such an element can be used as a pulse light source for signals or an element suitable for clock recovery in ultrahigh-speed time division multiplexing optical communication.

(実施の形態4)
図9は、本発明の実施の形態4における半導体レーザの共振器方向の構成を示す概略断面図である。
(Embodiment 4)
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor laser in the resonator direction according to the fourth embodiment of the present invention.

図9を参照して、本実施の形態の半導体レーザは、前方DFB領域101と、位相制御領域102と、後方DBR領域103とを有している。この後方DBR領域103および位相制御領域102における光導波層3aを構成する結晶のバンドギャップエネルギーが、前方DFB領域101における光導波層3を構成する結晶のバンドギャップエネルギーより大きい。本実施の形態のその他の構造は、実施の形態1の構成と同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。   Referring to FIG. 9, the semiconductor laser according to the present embodiment has a front DFB region 101, a phase control region 102, and a rear DBR region 103. The band gap energy of the crystal constituting the optical waveguide layer 3 a in the rear DBR region 103 and the phase control region 102 is larger than the band gap energy of the crystal constituting the optical waveguide layer 3 in the front DFB region 101. Since the other structure of the present embodiment is the same as that of the first embodiment, the same constituent elements are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

実施の形態1の半導体レーザでは後方DFB領域103は前方DFB領域101と同じ光導波層3を有しており、発生したレーザ光の後方DFB領域103での光吸収や利得は完全に無視することはできない。そこで、本実施の形態の半導体レーザは、実施の形態1の半導体レーザにおける後方DFB領域103を、バンドギャップが大きく光吸収や利得が無視できる受動DBRミラーで置き換える構成とされている。   In the semiconductor laser of the first embodiment, the rear DFB region 103 has the same optical waveguide layer 3 as the front DFB region 101, and light absorption and gain in the rear DFB region 103 of the generated laser light are completely ignored. I can't. Therefore, the semiconductor laser of the present embodiment is configured to replace the rear DFB region 103 in the semiconductor laser of the first embodiment with a passive DBR mirror that has a large band gap and can ignore light absorption and gain.

実施の形態4の半導体レーザの動作を以下に説明する。なお、半導体レーザの基本的な動作は実施の形態1の半導体レーザとほぼ同一なので、本実施の形態における特徴的な動作部分を説明する。   The operation of the semiconductor laser according to the fourth embodiment will be described below. Since the basic operation of the semiconductor laser is almost the same as that of the semiconductor laser according to the first embodiment, a characteristic operation portion in this embodiment will be described.

前方DFB領域101に対してレーザ発振閾値以上の動作電流Ilas1が流され、後方DBR領域103において屈折率制御用電流Ilas2が流される。この場合、前方DFB領域101はレーザとして機能する一方、後方DBR領域103は分散性の強い、すなわち反射率の波長依存性の大きい受動DBRミラーとして動作する。   An operating current Ilas1 that is equal to or greater than the laser oscillation threshold is supplied to the front DFB region 101, and a refractive index control current Ilas2 is supplied to the rear DBR region 103. In this case, the front DFB region 101 functions as a laser, while the rear DBR region 103 operates as a passive DBR mirror having strong dispersibility, that is, having a large wavelength dependency of reflectance.

また本実施の形態の半導体レーザでは、実施の形態1の半導体レーザにおける単一の結晶層で構成された光導波層3に対して、前方DFB領域101の光導波層3と位相制御領域102および後方DBR領域103の光導波層3aとがバットジョイント成長によって結晶成長され、位相制御領域102および後方DBR領域103における光導波層3aのバンドギャップエネルギーが前方DFB領域101のバンドギャップエネルギーより大きくなるような結晶で形成される、いわゆるバットジョイント構造が適用されても良い。バットジョイント構造の適用により、共振器方向にわたって活性領域と光導波領域の結合損失をほぼ無くし、低損失な光導波層3、3aを形成できる。さらに、光導波層3、3aの両者の領域界面での屈折率差による反射が低減されるので、高効率で半導体レーザを駆動することができる。   Further, in the semiconductor laser of the present embodiment, the optical waveguide layer 3 of the front DFB region 101, the phase control region 102, and the optical waveguide layer 3 formed of a single crystal layer in the semiconductor laser of the first embodiment. The optical waveguide layer 3a in the rear DBR region 103 is crystal-grown by butt joint growth so that the band gap energy of the optical waveguide layer 3a in the phase control region 102 and the rear DBR region 103 is larger than the band gap energy of the front DFB region 101. A so-called butt joint structure formed of a simple crystal may be applied. By applying the butt joint structure, it is possible to eliminate the coupling loss between the active region and the optical waveguide region along the cavity direction, and to form the optical waveguide layers 3 and 3a with low loss. Furthermore, since reflection due to a difference in refractive index at the interface between both regions of the optical waveguide layers 3 and 3a is reduced, the semiconductor laser can be driven with high efficiency.

実施の形態4の半導体レーザでは、実施の形態1の半導体レーザの後方DFB領域を受動DBRミラーで置き換えたので、DFB領域とした場合に生じる予期しない光吸収によるキャリア密度の変動が抑えられ、より安定したセルフパルセーション動作の持続が可能となる。さらに、受動DBRミラーの適用により、より容易にセルフパルセーション周波数の調整ができる。後方DBR領域103は利得と屈折率が同時に変わることがないため位相調整が容易であり、また、後方DBR領域103は利得を持たないので、前方DFB領域101のレーザ発振波長や受動DBRミラーのストップバンド外でのレーザ発振が起こりにくいからである。   In the semiconductor laser of the fourth embodiment, since the rear DFB region of the semiconductor laser of the first embodiment is replaced with a passive DBR mirror, fluctuations in carrier density due to unexpected light absorption that occurs when the DFB region is used can be suppressed. Stable self-pulsation operation can be continued. Furthermore, the self-pulsation frequency can be adjusted more easily by applying a passive DBR mirror. Since the rear DBR region 103 does not change the gain and the refractive index at the same time, phase adjustment is easy, and since the rear DBR region 103 has no gain, the laser oscillation wavelength of the front DFB region 101 and the stop of the passive DBR mirror This is because laser oscillation outside the band hardly occurs.

(実施の形態5)
図10は、本発明の実施の形態5における半導体レーザの構成を示す概略断面図である。
(Embodiment 5)
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor laser according to the fifth embodiment of the present invention.

図10を参照して、本実施の形態の半導体レーザでは、前方DFB領域101の前部に隣接して半導体光増幅器(SOA)104が集積されている。前方DFB領域101、位相制御領域102および後方DFB領域103の構成は、実施の形態1の構成と同様である。SOA領域104の長さはたとえば900μmである。また、SOA活性層は、回折格子を設けていない点を除くと、前方DFB領域101と共通の仕様である。SOA領域104において、p型InPクラッド層4上にはp型InGaAsPコンタクト層7とp型電極21dが形成されている。このSOA領域104のp型InGaAsPコンタクト層7およびp型電極21dは、前方DFB領域101のp型InGaAsPコンタクト層7およびp型電極21aと分離溝9dにより分離されている。   Referring to FIG. 10, in the semiconductor laser of the present embodiment, a semiconductor optical amplifier (SOA) 104 is integrated adjacent to the front portion of front DFB region 101. The configuration of the front DFB region 101, the phase control region 102, and the rear DFB region 103 is the same as that of the first embodiment. The length of the SOA region 104 is, for example, 900 μm. The SOA active layer has the same specifications as the front DFB region 101 except that the diffraction grating is not provided. In the SOA region 104, a p-type InGaAsP contact layer 7 and a p-type electrode 21d are formed on the p-type InP cladding layer 4. The p-type InGaAsP contact layer 7 and the p-type electrode 21d in the SOA region 104 are separated from the p-type InGaAsP contact layer 7 and the p-type electrode 21a in the front DFB region 101 by the separation groove 9d.

SOAを集積しない場合、光注入同期によるクロック再生特性の注入光波長依存性は、たとえば、図11のようになる。図11において、縦軸は同期に必要な注入光強度であり、横軸は注入光波長である。注入光の偏光方向は、レーザ光の偏光と同じとした。レーザ発振波長と同じ注入光波長の場合、もっとも小さい強度で同期させることができる。注入光波長をレーザ発振波長から変える場合、ストップバンド幅程度以下の違いでは、必要な注入光強度が増大し、ストップバンド幅程度以上の違いになると減少する。このような振る舞いは、ストップバンド内の注入光波長では、ストップバンド外の波長に比べてDFB領域による反射率が大きくなり注入光がDFB領域内を十分伝搬できないため、光注入によるキャリア密度変化が生じにくくなるためである。他方、レーザ発振波長に近い注入光波長の場合は、ストップバンドによる反射が小さく、注入光が増倍されながらDFB領域内を伝搬するので、小さい光強度で同期させることができる。   In the case where the SOA is not integrated, the dependence of the clock recovery characteristic due to the light injection locking on the injected light wavelength is, for example, as shown in FIG. In FIG. 11, the vertical axis represents the injected light intensity required for synchronization, and the horizontal axis represents the injected light wavelength. The polarization direction of the injected light was the same as that of the laser beam. When the injection light wavelength is the same as the laser oscillation wavelength, synchronization can be achieved with the smallest intensity. When the injection light wavelength is changed from the laser oscillation wavelength, the required injection light intensity increases when the difference is about the stop bandwidth or less, and decreases when the difference is about the stop bandwidth or more. This behavior is caused by the fact that the reflectivity by the DFB region is larger at the injection light wavelength within the stop band than the wavelength outside the stop band, and the injection light cannot sufficiently propagate through the DFB region. This is because it becomes difficult to occur. On the other hand, in the case of the injection light wavelength close to the laser oscillation wavelength, reflection by the stop band is small, and the injection light propagates in the DFB region while being multiplied, so that it can be synchronized with a small light intensity.

本実施の形態では、SOA部への入射信号として、レーザ発振光に対して波長と偏光方向が同じである外部CW(continuous wave)光(連続光)とクロック再生用の信号パルス光とが入射される。SOAを伝搬する際に生じる相互利得変調の効果により、入射された外部CW光は信号パルス光による強度変調を受ける。変調を受けた外部CW光は、レーザ発振光に対して波長が同じであるため、DFB領域に到達した後、小さい光強度で注入同期を生じさせることができる。注入同期を生じさせるために必要な信号パルス光強度は、SOAの相互利得変調を利用する場合の方が、SOAを設けない場合よりも低減できる。そのため、SOAを設けたことにより注入同期を高感度に生じさせることができる。   In this embodiment, external CW (continuous wave) light (continuous light) having the same wavelength and polarization direction with respect to laser oscillation light and signal pulse light for clock reproduction are incident as incident signals to the SOA section. Is done. Due to the effect of mutual gain modulation that occurs when propagating through the SOA, the incident external CW light undergoes intensity modulation by the signal pulse light. Since the modulated external CW light has the same wavelength as that of the laser oscillation light, after reaching the DFB region, injection locking can be generated with a small light intensity. The signal pulse light intensity required to cause injection locking can be reduced when the SOA mutual gain modulation is used than when the SOA is not provided. Therefore, the injection locking can be generated with high sensitivity by providing the SOA.

また、信号パルス光の波長依存性に関しては、波長がSOAの利得波長帯域内にある場合には、前述のSOAでの相互利得変調が同様に生じるので、SOAの利得波長帯域に相当する30nm以上の広い波長範囲で注入同期を生じさせることができる。このように、SOAを設けたことにより、広い信号光波長範囲に対して、波長依存性が小さく、高感度に注入同期を生じさせることができる。   Further, regarding the wavelength dependency of the signal pulse light, when the wavelength is within the SOA gain wavelength band, the above-described mutual gain modulation in the SOA similarly occurs, and therefore, 30 nm or more corresponding to the SOA gain wavelength band. Injection locking can be generated in a wide wavelength range. Thus, by providing the SOA, the wavelength dependency is small with respect to a wide signal light wavelength range, and injection locking can be generated with high sensitivity.

本実施の形態では、前方DFB領域101の前部にSOA部104を設けたが、図12に示すように、後方DFB領域103の後部にSOA部104を設けた場合でも、前記外部CW光と信号パルス光を後方側から入射させることで、上記と同様の注入同期動作をさせることができる。この場合、SOA活性層は、回折格子を設けていない点を除くと、後方DFB領域103と共通の仕様である。SOA領域104において、p型InPクラッド層4上にはp型InGaAsPコンタクト層7とp型電極21dが形成されている。このSOA領域104のp型InGaAsPコンタクト層7およびp型電極21dは、後方DFB領域103のp型InGaAsPコンタクト層7およびp型電極21cと分離溝9dにより分離されている。   In this embodiment, the SOA part 104 is provided in the front part of the front DFB area 101. However, even when the SOA part 104 is provided in the rear part of the rear DFB area 103 as shown in FIG. By making the signal pulse light incident from the rear side, an injection locking operation similar to the above can be performed. In this case, the SOA active layer has the same specification as that of the rear DFB region 103 except that the diffraction grating is not provided. In the SOA region 104, a p-type InGaAsP contact layer 7 and a p-type electrode 21d are formed on the p-type InP cladding layer 4. The p-type InGaAsP contact layer 7 and the p-type electrode 21d in the SOA region 104 are separated from the p-type InGaAsP contact layer 7 and the p-type electrode 21c in the rear DFB region 103 by the separation groove 9d.

また、実施の形態1、2、3および4で説明した本発明の半導体レーザとSOAを用いた他の組み合わせの素子でも、同様の注入同期動作をさせることができる。   The same injection locking operation can be performed also in other combinations of elements using the semiconductor laser of the present invention and SOA described in the first, second, third, and fourth embodiments.

また、図13(a)、図13(b)に示すように、本発明の素子を用いた波長変換素子を構成することができる。波長変換素子は、一端から信号光が入射される入射側光導波路202と、前記入射側光導波路に光学的に結合された入射側カプラ203および分岐光導波路と、SOA集積セルフパルセーティング半導体レーザ211の発振波長に一致した波長で発振する注入光発生用(注入同期用)半導体レーザ204とを主に有している。入射側光導波路202を伝搬した信号光と注入光発生用半導体レーザ204の出力光とを入射側カプラ203と分岐光導波路とを経由してSOAに入射できるように前記入射側光導波路と前記注入同期用半導体レーザとが配置されている。   Further, as shown in FIGS. 13A and 13B, a wavelength conversion element using the element of the present invention can be configured. The wavelength conversion element includes an incident side optical waveguide 202 into which signal light is incident from one end, an incident side coupler 203 and a branch optical waveguide optically coupled to the incident side optical waveguide, and an SOA integrated self-pulsating semiconductor laser. It mainly has an injection light generation (injection locking) semiconductor laser 204 that oscillates at a wavelength that matches the oscillation wavelength 211. The incident-side optical waveguide and the injection so that the signal light propagated through the incident-side optical waveguide 202 and the output light of the semiconductor laser 204 for generating the injection light can enter the SOA via the incident-side coupler 203 and the branch optical waveguide. A synchronization semiconductor laser is arranged.

図13(a)は、入力信号光の伝搬方向と逆方向に出力光を得るようにした構成例であり、図13(b)は、入力信号光の伝搬方向と同方向に出力光を得るようにした構成例である。注入光発生用半導体レーザ204には、SOA集積セルフパルセーティング半導体レーザ211の発振波長に一致した波長付近で発振するように設計された公知のλ/4位相シフト付DFBレーザや波長可変半導体レーザが使用される。波長可変半導体レーザの場合は、波長可変範囲が大きいので波長を容易に選択することができる。λ/4位相シフト付DFBレーザの場合は、素子駆動電流により発振波長が可変できる範囲内にSOA集積セルフパルセーティング半導体レーザ211の発振波長が入るように、λ/4位相シフト付DFBレーザが作製される。   FIG. 13A is a configuration example in which output light is obtained in a direction opposite to the propagation direction of input signal light, and FIG. 13B obtains output light in the same direction as the propagation direction of input signal light. This is an example of the configuration. The injection light generating semiconductor laser 204 includes a known λ / 4 phase-shifted DFB laser and a wavelength tunable semiconductor laser designed to oscillate in the vicinity of a wavelength that matches the oscillation wavelength of the SOA integrated self-pulsating semiconductor laser 211. Is used. In the case of a wavelength tunable semiconductor laser, the wavelength can be easily selected because the wavelength tunable range is large. In the case of the DFB laser with λ / 4 phase shift, the DFB laser with λ / 4 phase shift is set so that the oscillation wavelength of the SOA integrated self-pulsating semiconductor laser 211 falls within a range in which the oscillation wavelength can be varied by the element drive current. Produced.

注入光発生用半導体レーザ204からの入射光は、SOA部で相互位相変調され、素子の注入同期動作を生じさせる。クロック再生出力である波長変換光は、図13(a)の構成の場合は、出射側導波路202aを経由して入射光の伝搬方向と同じ方向に、得ることができる。図13(b)の場合は、入射側カプラ203を経由して入射側光導波路202から入射光の伝搬方向と逆方向に、クロック再生出力である波長変換光を取り出すことができ、波長フィルタや光サーキュレータを用いて出力光を分離することができる。このような注入光発生用半導体レーザを集積した素子を構成することにより、外部CW光やそれに付随する偏波調整機構および信号パルス光との結合用カプラが不要になるので、システム全体を小型にでき、簡便に注入同期動作を生じさせることができる。   Incident light from the injection light generating semiconductor laser 204 is cross-phase-modulated in the SOA section, and causes an injection locking operation of the element. In the case of the configuration shown in FIG. 13A, the wavelength-converted light that is the clock reproduction output can be obtained in the same direction as the propagation direction of the incident light via the output-side waveguide 202a. In the case of FIG. 13B, wavelength-converted light that is a clock reproduction output can be extracted from the incident-side optical waveguide 202 through the incident-side coupler 203 in the direction opposite to the propagation direction of incident light. The output light can be separated using an optical circulator. By constructing an element in which such an injection light generating semiconductor laser is integrated, an external CW light, a polarization adjustment mechanism accompanying it, and a coupling coupler for signal pulse light become unnecessary, and the entire system can be made compact. It is possible to easily generate the injection locking operation.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明は光ファイバ通信、特に全光信号処理技術の分野で用いられる超高速光パルスを発生させる半導体レーザおよびその半導体レーザの駆動方法に有利に適用できる。   The present invention can be advantageously applied to a semiconductor laser for generating an ultrafast optical pulse and a method for driving the semiconductor laser used in the field of optical fiber communication, particularly all-optical signal processing technology.

本発明の実施の形態1における半導体レーザの構成を示す概観図である。1 is an overview diagram showing a configuration of a semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention. 図1の半導体レーザの共振器方向の断面図(図1中のIIで表された面)である。FIG. 2 is a cross-sectional view (a surface represented by II in FIG. 1) in the resonator direction of the semiconductor laser of FIG. 実施の形態1の半導体レーザにおけるλ/4位相シフトを導入し、後方DFB領域の回折格子を前方DFB領域の回折格子よりも長波長側に2nmだけ離調させた構造の素子で、セルフパルセーション動作のシミュレーションを行って得られた出力光時間波形のシミュレーション結果を示す図である。Self-pulsation with an element having a structure in which the λ / 4 phase shift in the semiconductor laser of the first embodiment is introduced and the diffraction grating in the rear DFB region is detuned by 2 nm longer than the diffraction grating in the front DFB region. It is a figure which shows the simulation result of the output optical time waveform obtained by simulating operation | movement. 実施の形態1の半導体レーザにおけるλ/4位相シフトを導入し、後方DFB領域の回折格子を前方DFB領域の回折格子よりも長波長側に2nmだけ離調させた構造の素子で、セルフパルセーション動作のシミュレーションを行って得られたレーザ発振スペクトルのシミュレーション結果を示す図である。Self-pulsation with an element having a structure in which the λ / 4 phase shift in the semiconductor laser of the first embodiment is introduced and the diffraction grating in the rear DFB region is detuned by 2 nm longer than the diffraction grating in the front DFB region. It is a figure which shows the simulation result of the laser oscillation spectrum obtained by simulating operation | movement. 実施の形態1の半導体レーザにおけるλ/4位相シフトを導入し、後方DFB領域の回折格子を前方DFB領域の回折格子よりも長波長側に2nmだけ離調させた構造の素子で、セルフパルセーション動作のシミュレーションを行って得られた反射スペクトルのシミュレーション結果を示す図である。Self-pulsation with an element having a structure in which the λ / 4 phase shift in the semiconductor laser of the first embodiment is introduced and the diffraction grating in the rear DFB region is detuned by 2 nm longer than the diffraction grating in the front DFB region. It is a figure which shows the simulation result of the reflection spectrum obtained by simulating operation | movement. 実施の形態1の半導体レーザにおける位相シフトの大きさとパルセーション繰返し周波数の関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the phase shift magnitude and the pulsation repetition frequency in the semiconductor laser of the first embodiment. 本発明の実施の形態2における半導体レーザの構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the semiconductor laser in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3における半導体レーザの構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the semiconductor laser in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4における半導体レーザの構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the semiconductor laser in Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態5における半導体レーザの構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the semiconductor laser in Embodiment 5 of this invention. SOAを集積しない場合の光注入同期によるクロック再生特性の注入光波長依存性を示す図である。It is a figure which shows the injection light wavelength dependence of the clock reproduction | regeneration characteristic by light injection synchronization in case SOA is not integrated. 後方DFB領域の後部にSOA部を設けた半導体レーザの構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the semiconductor laser which provided the SOA part in the rear part of back DFB area | region. 本発明の半導体レーザ(セルフパルセーティングDFBレーザ)とSOAと注入光発生用半導体レーザとを集積した波長変換素子の構成例を示す図であり、(a)は入射信号光の伝搬方向と逆方向に出力光を得るようにした構成例であり、(b)は入射信号光の伝搬方向と同方向に出力光を得るようにした構成例である。It is a figure which shows the structural example of the wavelength conversion element which integrated the semiconductor laser (self-pulsating DFB laser) of this invention, SOA, and the semiconductor laser for injection light generation, (a) is reverse to the propagation direction of incident signal light. In the configuration example, the output light is obtained in the direction, and (b) is the configuration example in which the output light is obtained in the same direction as the propagation direction of the incident signal light.

符号の説明Explanation of symbols

1 n型InP基板、2 n型InPクラッド層、3 InGaAsP光導波層、4 p型InPクラッド層、5 回折格子、6,6a,6b 位相シフト部分、7 p型InGaAsPコンタクト層、8 高抵抗InP電流閉じ込め層、9a,9b 分離溝、20 n型電極、21,21a,21b,21c p型電極、30 低反射率(AR)膜、101,101a,101b 前方DFB領域、102,102a,102b 位相制御領域、103 後方DFB領域、104 半導体光増幅器、202 入射側光導波路、202a 出射側導波路、203 入射側カプラ、204 注入光発生用半導体レーザ、211 SOA集積セルフパルセーティング半導体レーザ。   1 n-type InP substrate, 2 n-type InP clad layer, 3 InGaAsP optical waveguide layer, 4 p-type InP clad layer, 5 diffraction grating, 6, 6a, 6b phase shift portion, 7 p-type InGaAsP contact layer, 8 high resistance InP Current confinement layer, 9a, 9b separation groove, 20 n-type electrode, 21, 21a, 21b, 21c p-type electrode, 30 low reflectivity (AR) film, 101, 101a, 101b front DFB region, 102, 102a, 102b phase Control region, 103 Rear DFB region, 104 Semiconductor optical amplifier, 202 Incident side optical waveguide, 202a Outgoing side waveguide, 203 Incident side coupler, 204 Injected light generating semiconductor laser, 211 SOA integrated self-pulsating semiconductor laser.

Claims (11)

第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第1導電型クラッド層と、
前記第1導電型クラッド層に形成された光導波層と、
前記光導波層を一部に含みレーザ光出射方向に対して前方に位置し前記光導波層面に近接した回折格子を具備する前方DFB領域と、
前記光導波層を一部に含み前記レーザ光出射方向に対して後方に位置し前記光導波層面に近接した回折格子を具備し、前記前方DFB領域とは電気的に分離された後方DFBあるいはDBR領域と、
前記回折格子を埋め込むように形成された第2導電型クラッド層と、を備え、
前記前方DFB領域の回折格子が一部に位相シフト部分を有し、
前記前方DFB領域と前記後方DFBあるいはDBR領域との各々に電流を注入することによって生じる前記前方DFB領域のストップバンド内のレーザ発振波長と前記前方DFB領域の前記ストップバンド端部のレーザ発振波長との両方が、前記後方DFBあるいはDBR領域により生じるストップバンド内の高反射率部に位置するように、前記後方DFBあるいはDBR領域の前記回折格子が調整されており、
前記前方DFB領域の回折格子の周期と前記後方DFBあるいはDBR領域の回折格子の周期が異なることを特徴とする、半導体レーザ。
A first conductivity type semiconductor substrate;
A first conductivity type cladding layer formed on the semiconductor substrate;
An optical waveguide layer formed on the first conductivity type cladding layer;
A front DFB region including a diffraction grating that includes the optical waveguide layer in part and is positioned forward with respect to the laser light emitting direction and close to the optical waveguide layer surface;
A rear DFB or DBR that includes a part of the optical waveguide layer and includes a diffraction grating that is located rearward with respect to the laser light emitting direction and is close to the surface of the optical waveguide layer, and is electrically separated from the front DFB region. Area,
A second conductivity type cladding layer formed so as to embed the diffraction grating,
The diffraction grating of the front DFB region has a phase shift portion in part;
The laser oscillation wavelength in the stop band of the front DFB region and the laser oscillation wavelength at the end of the stop band of the front DFB region, which are generated by injecting current into each of the front DFB region and the rear DFB region or the DBR region, The diffraction grating of the rear DFB or DBR region is adjusted so that both are located in the high reflectivity part in the stop band generated by the rear DFB or DBR region ,
2. A semiconductor laser according to claim 1, wherein a period of the diffraction grating in the front DFB region is different from a period of the diffraction grating in the rear DFB or DBR region .
前記前方DFB領域の前記ストップバンド内の前記レーザ発振波長が、前記前方DFB領域の前記ストップバンドの端部波長に対して0.3nm以上5.5nm以下の所望の波長間隔となるように前記位相シフト部分の大きさが調整されていることを特徴とする、請求項1に記載の半導体レーザ。   The phase of the laser oscillation wavelength in the stop band of the front DFB region is a desired wavelength interval of 0.3 nm to 5.5 nm with respect to an end wavelength of the stop band of the front DFB region. 2. The semiconductor laser according to claim 1, wherein the size of the shift portion is adjusted. 前記後方DFBまたはDBR領域の前記回折格子が位相シフト部分を有していることを特徴とする、請求項1または2に記載の半導体レーザ。   3. The semiconductor laser according to claim 1, wherein the diffraction grating in the rear DFB or DBR region has a phase shift portion. 前記前方DFB領域が2箇所のDFB領域と前方DFB用位相制御領域とにより構成されており、前記前方DFB用位相制御領域は前記2箇所のDFB領域の間に設けられ、かつ前記2箇所のDFB領域の各々から電気的に分離されていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の半導体レーザ。   The front DFB region is composed of two DFB regions and a front DFB phase control region, and the front DFB phase control region is provided between the two DFB regions, and the two DFB regions. The semiconductor laser according to claim 1, wherein the semiconductor laser is electrically isolated from each of the regions. 前記前方DFB領域と前記後方DFBあるいはDBR領域との間に位置し、かつ前記前方DFB領域と前記後方DFBあるいはDBR領域との各々から電気的に分離された前方−後方間位相制御領域をさらに備えたことを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の半導体レーザ。   A front-rear phase control region that is located between the front DFB region and the rear DFB or DBR region and is electrically separated from each of the front DFB region and the rear DFB or DBR region; The semiconductor laser according to any one of claims 1 to 4, wherein 前記後方DFBあるいはDBR領域が後方DBR領域で構成されており、前記前方−後方間位相制御領域および前記後方DBR領域における前記光導波層を構成する結晶のバンドギャップエネルギーが、前記前方DFB領域における光導波層を構成する結晶のバンドギャップエネルギーより大きいことを特徴とする、請求項5に記載の半導体レーザ。   The rear DFB or DBR region is composed of a rear DBR region, and the band gap energy of the crystal constituting the optical waveguide layer in the front-rear phase control region and the rear DBR region is the optical wavelength in the front DFB region. 6. The semiconductor laser according to claim 5, wherein the semiconductor laser is larger than a band gap energy of a crystal constituting the wave layer. 前記光導波層の両側面に形成された電流閉じ込め層をさらに備えたことを特徴とする、請求項1〜のいずれかに記載の半導体レーザ。 And further comprising a current confinement layer formed on both sides of the optical waveguide layer, a semiconductor laser according to any one of claims 1-6. 前記電流閉じ込め層が埋め込み結晶成長によって形成されたものであることを特徴とする、請求項に記載の半導体レーザ。 8. The semiconductor laser according to claim 7 , wherein the current confinement layer is formed by buried crystal growth. 第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第1導電型クラッド層と、
前記第1導電型クラッド層に形成された光導波層と、
前記光導波層を一部に含みレーザ光出射方向に対して前方に位置し前記光導波層面に近接した回折格子を具備する前方DFB領域と、
前記光導波層を一部に含み前記レーザ光出射方向に対して後方に位置し前記光導波層面に近接した回折格子を具備し、前記前方DFB領域とは電気的に分離された後方DFBあるいはDBR領域と、
前記回折格子を埋め込むように形成された第2導電型クラッド層と、を備え、
前記前方DFB領域の回折格子が一部に位相シフト部分を有し、
前記前方DFB領域と前記後方DFBあるいはDBR領域との各々に電流を注入することによって生じる前記前方DFB領域のストップバンド内のレーザ発振波長と前記前方DFB領域の前記ストップバンド端部のレーザ発振波長との両方が、前記後方DFBあるいはDBR領域により生じるストップバンド内の高反射率部に位置するように、前記後方DFBあるいはDBR領域の前記回折格子が調整されており、
前記前方DFB領域の前部または前記後方DFBあるいはDBR領域の後部に隣接して集積された半導体光増幅器をさらに備えたことを特徴とする、半導体レーザ。
A first conductivity type semiconductor substrate;
A first conductivity type cladding layer formed on the semiconductor substrate;
An optical waveguide layer formed on the first conductivity type cladding layer;
A front DFB region including a diffraction grating that includes the optical waveguide layer in part and is positioned forward with respect to the laser light emitting direction and close to the optical waveguide layer surface;
A rear DFB or DBR that includes a part of the optical waveguide layer and includes a diffraction grating that is located rearward with respect to the laser light emitting direction and is close to the surface of the optical waveguide layer, and is electrically separated from the front DFB region. Area,
A second conductivity type cladding layer formed so as to embed the diffraction grating,
The diffraction grating of the front DFB region has a phase shift portion in part;
The laser oscillation wavelength in the stop band of the front DFB region and the laser oscillation wavelength at the end of the stop band of the front DFB region, which are generated by injecting current into each of the front DFB region and the rear DFB region or the DBR region, The diffraction grating of the rear DFB or DBR region is adjusted so that both are located in the high reflectivity part in the stop band generated by the rear DFB or DBR region,
And further comprising a semiconductor optical amplifier which is integrated adjacent to the rear of the front or the rear DFB or DBR region of the front DFB region, semiconductors lasers.
請求項に記載の半導体レーザをセルフパルセーティング動作を行う多電極構造のレーザとして用いる駆動方法であって、入力信号光とレーザ発振波長の連続光とを前記半導体光増幅器に入射させてクロック再生動作させることを特徴とする、半導体レーザの駆動方法。 10. A driving method using the semiconductor laser according to claim 9 as a laser having a multi-electrode structure for performing a self-pulsating operation, wherein an input signal light and a continuous light having a laser oscillation wavelength are incident on the semiconductor optical amplifier to generate a clock. A method for driving a semiconductor laser, wherein a reproducing operation is performed. 請求項に記載の半導体レーザを備えた波長変換素子であって、
一端から信号光が入射される入射側光導波路と、
前記半導体レーザの発振波長に一致した波長で発振する注入同期用半導体レーザとを備え、
前記入射側光導波路を伝搬した前記信号光と前記注入同期用半導体レーザの出力光とを前記半導体レーザの前記半導体光増幅器に入射できるように前記入射側光導波路と前記注入同期用半導体レーザとが配置されていることを特徴とする、波長変換素子。
A wavelength conversion element comprising the semiconductor laser according to claim 9 ,
An incident-side optical waveguide into which signal light is incident from one end;
An injection locking semiconductor laser that oscillates at a wavelength that matches the oscillation wavelength of the semiconductor laser,
The incident-side optical waveguide and the injection-locking semiconductor laser are arranged so that the signal light propagated through the incident-side optical waveguide and the output light of the injection-locking semiconductor laser can enter the semiconductor optical amplifier of the semiconductor laser. A wavelength conversion element which is arranged.
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