JP4439199B2 - Vertical cavity surface emitting semiconductor laser device, optical logic operation device, wavelength converter, optical pulse waveform shaping device, and optical transmission system using the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変調機能を有する垂直共振型面発光半導体レーザ装置およびそれを用いた光論理演算装置、波長変換装置、光パルス波形整形装置、ならびに光伝送システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
基板と垂直方向にレーザ光を出射する垂直共振器型面発光半導体レーザ装置は、消費電力が低い、2次元アレイ化が可能である等の特徴から、光通信や光情報処理の機能デバイスとして期待されている。
【0003】
垂直共振器型面発光半導体レーザ装置内に、可飽和吸収領域を設けることにより、双安定動作を行う装置として、特公平7−112087号公報(特許文献1)、特開平8−18146号公報(特許文献2)、特公平6−29625号公報(特許文献3)が提案されている。
【0004】
上記の双安定垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においては、活性層の注入電流に対するレーザ光出力のヒステリシス特性、および、可飽和吸収領域への光入力に対するレーザ光出力のヒステリシス特性を用いて双安定動作を実現している。
【0005】
そのため、可飽和吸収領域へ光を入力すると、光入力を切っても光出力はオン状態が維持される。光出力をオフにするためには、活性層の注入電流を下げるか、可飽和吸収領域に印加する逆バイアス電界を増加して吸収を増加させてやる必要がある。
【0006】
また、特公平6−29625号公報(特許文献3)においては、可飽和吸収領域に対して外部注入光を結合させるために、光導波路構造を設けている。これにより、可飽和吸収領域に対する外部注入光の結合効率を高くして、より小さい光入力強度で光スイッチ動作を実現している。
【0007】
また、特公平6−29625号公報(特許文献3)においては、活性層に別な外部注入光を入射することで、活性層の利得クエンチングにより双安定レーザを非発振状態に遷移させている。
【0008】
垂直共振器型面発光半導体レーザ装置に、可飽和吸収領域を設けた別な従来例として、特開平6−302916号公報(特許文献4)、特開平9―107148号公報(特許文献5)が提案されている。これは、可飽和吸収領域が垂直共振器型面発光半導体レーザ自身の光によって吸収飽和する現象を用いた自励発振型の半導体レーザとなっている。
【0009】
さらに、特開平5−152674号公報(特許文献6)においては、電界吸収により光吸収率を変化させる外部変調器を垂直共振器型面発光レーザ装置に集積した構造が提案されている。
【0010】
【特許文献1】
特公平7−112087号公報
【特許文献2】
特開平8−18146号公報
【特許文献3】
特公平6−29625号公報
【特許文献4】
特開平6−302916号公報
【特許文献5】
特開平9―107148号公報
【特許文献6】
特開平5−152674号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
特公平7−112087号公報(特許文献1)、特開平8−18146号公報(特許文献2)に示された双安定垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においては、可飽和吸収領域へ光入力を入力すると、光入力を切っても光出力はオン状態が維持される。光出力をオフにするためには、活性層の注入電流を下げるか、可飽和吸収領域に印加する逆バイアス電界を増加して吸収を増加させてやる必要がある。そのため、光入力のみで出力光のオン、オフを行うことができない。
【0012】
また、特公平6−29625号公報(特許文献3)においては、光出力をオンにする外部注入光とは別に、活性層に外部注入光を入射することで、双安定レーザ装置を非発振状態に遷移させている。そのため、制御光が2つ必要となってしまう。
【0013】
また、特開平6−302916号公報(特許文献4)、特開平9―107148号公報(特許文献5)に示された自励発振垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においては、パルス光にデータ信号を自励発振の周波数でそのまま乗せることはできない。
【0014】
また、特開平5−152674号公報(特許文献6)に示された外部変調器を集積した垂直共振器型面発光レーザにおいても、光強度の変調を変調器に印加する電界強度で行っており、全光型のスイッチ動作は実現できない。
【0015】
そこで、本発明の各請求項は、次の目的を有する。
【0017】
請求項1から10に記載の発明は、高性能の光信号処理装置(垂直共振型面発光半導体レーザ装置、それを用いた光論理演算装置、波長変換装置、光パルス波形整形装置、ならびに光伝送システム)を実現することを目的としている。
【0018】
【発明を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成を採用した。以下、請求項毎の特徴を述べる。
【0022】
a)請求項1記載の発明は、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、基板と垂直方向にレーザ発振光を出力する面型垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、前記レーザ発振光の基本横モードと1次の高次モードとを外部入力光強度によって変調することを特徴としている。
【0023】
b)請求項2記載の発明は、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、前記基板と垂直方向にレーザ発振光を出力する面型半導体発光装置と、電界吸収型光変調器とを、前記基板と垂直方向にモノリシック集積し、前記レーザ発振光の基本横モードと1次の高次モードとを外部入力光強度によって変調することを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置である。
【0024】
c)請求項3記載の発明は、請求項1または2に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、出力光波長を掃引する機構を有することを特徴としている。
【0025】
d)請求項4記載の発明は、請求項1から3のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、光吸収層の光吸収にサブバンド間吸収を用いたことを特徴としている。
【0026】
e)請求項5記載の発明は、請求項1から4のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、光吸収層および/または活性層の材料として、窒素と他のV族元素とを含む混晶半導体を用いたことを特徴としている。
【0027】
f)請求項6記載の発明は、請求項1から5のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことを特徴とする光論理演算装置である。
【0028】
g)請求項7記載の発明は、請求項1から5のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことを特徴とする波長変換装置である。
【0029】
h)請求項8記載の発明は、請求項7記載の波長変換装置において、波長0.85μm帯の光信号と波長1.3μm帯の光信号とを変換することを特徴としている。
【0030】
i)請求項9記載の発明は、請求項1から5のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことを特徴とする光パルス波形整形装置である。
【0031】
j)請求項10記載の発明は、請求項1から5のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置、請求項6記載の光論理演算装置、請求項7または8記載の波長変換装置、あるいは請求項9記載の光パルス波形整形装置を用いたことを特徴とする光伝送システムである。
【0032】
【発明の実施の形態】
(1)第1の参考形態
本発明の第1の参考形態は、図1に記載されているような、基板601上に、活性層605を含む共振器603と、共振器603の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡602,608と、活性層605の光を吸収する光吸収層604を含む垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の出力光強度を変調する光変調方式に関するものである。
【0033】
ここでは図1に示した構造を用いて説明するが、ここで説明する光変調方式は、後述する図10,図11,図12,図13,図14,図16,図17,図19に示した垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の構造においても適用できる。
【0034】
本例は、例えば図1に示すような光吸収層604構造を有する構造を採用することにより、外部から入力光を入射した場合に、この光吸収層604の吸収飽和により共振器損失が低下して閾電流が低下することで出力光強度が増加し、外部からの入力光を遮断した場合に、光吸収層604による共振器損失が増加して閾電流が増加することで出力光強度が低下するという作用を利用して光変調を実現している。より詳細な説明は、後述する参考例1を参照されたい。
【0035】
図2は、光変調動作を説明する図であり、活性層605に対する注入電流(Iop)と光出力の関係を示している。
【0036】
図1のように、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子内に活性層605の光を吸収する光吸収層604を設けることで、図2のBに示すように、光吸収損失が増加し、光吸収層が設けられていない場合に比べて半導体レーザの閾電流が増加する。
【0037】
ここで、光吸収層604で吸収される波長の光を外部から注入してやると、光吸収層604で外部注入光の吸収が発生する。吸収された光により光吸収層604内でキャリアが発生するため、外部注入光強度を強くしていくと、光吸収層604の吸収飽和が生じる。これにより、光吸収層604の吸収係数が低減されるため、活性層605で発生した光に対する光吸収損失が低減される。
【0038】
これにより、半導体レーザの閾電流は、外部から光を注入していないときよりも低下する。従って、活性層605に対する注入電流(Iop)を一定にしておくと、外部から光を注入することで、図2のAに示すように、光を注入しない場合に比べて出力されるレーザ光強度が増加する。
【0039】
そして、再び外部注入光を切ると、光吸収層内で光励起されたキャリアが減少し、活性層の光に対する吸収が増加する。従って、図2のBに示すように、半導体レーザの閾電流が増加して光出力が減少する。
【0040】
特に、動作電流Iopを、外部から入力光があった場合にはレーザ発振し、外部から入力光がない場合にはレーザ発振しないように設定することで、出力光強度の差が大きくなる。従って、変調のS/N比を大きくすることができる。
【0041】
以上の動作により、外部から入力する光信号をオン/オフすることによって、垂直共振器型面発光半導体レーザから出力されるレーザ光強度を制御して変調することが可能となる。
【0042】
以上の方式においては、特許文献1,特許文献2,特許文献6に示された方式とは異なり、垂直共振器型面発光半導体レーザから出力されるレーザ光強度を電気的にではなく光信号で変調することが可能である。
【0043】
また、特許文献3に示された方式とは異なり、1本の制御光のみで、出力光強度を変調することができるため、システム構成が簡略化される。
【0044】
なお上述したように、本方式では、注入電流−光出力あるいは光入力−光出力のヒステリシス特性を用いていない(図2参照)。注入電流−光出力特性のヒステリシスは、光吸収層の吸収飽和が活性層で発生した光自身で生じるために表れる。本方式では、光吸収層の吸収飽和は、活性層で発生した光に対しては十分小さく、外部注入光に対しては大きくなるような範囲で動作させている。
【0045】
ヒステリシス特性を利用する双安定レーザでは、外部注入光をオフにしてもレーザ発振状態が維持されるため、出力光強度は強いままである。一方、本方式では、図2のBに示されているように、外部注入光をオフにしたときに、出力光強度は外部注入光を入力したときよりも低下するため、出力光強度を変調することができる。この点において、双安定レーザと動作が異なっている。
【0046】
また、光吸収層の位置を、活性層に対して電流を注入する経路の外側に設けることによって、光吸収層の吸収係数の変化が活性層内のキャリア密度に対して依存しなくしている。そのため、特許文献5に示されるような自励発振を抑制することができる。
【0047】
光吸収層に対しては、逆バイアス電界を印加することも可能である。これにより、外部注入光をオフにしたときに、光吸収層内に残った励起キャリアを速やかに排出することができるため、スイッチオフ時間をより短くすることができる。
【0048】
また、外部から注入される光は、バイアス光と制御光の2本にすることも可能である。即ち、バイアス光のみでは光吸収層の吸収飽和が生じず、バイアス光と制御光が合わさった場合にのみ吸収飽和が生じるようにバイアス光と制御光の光強度を調整する。この場合、バイアス光はCW光でよいため、、垂直共振器型面発光半導体レーザから出力されるレーザ光強度を変調する信号は、制御光1本のみである。
【0049】
上記、光吸収層としては、バルク半導体層以外に、量子井戸構造や超格子構造を用いることが可能である。
【0050】
また、光吸収層は、共振器構造内、下部分布ブラッグ反射鏡内、上部分布ブラッグ反射鏡内、あるいは分布ブラッグ反射鏡の外部に設けることができる。
光吸収層を共振器構造内に設けた場合には、光吸収層を活性層に近接させることができるため、効率よく活性層の光を吸収させることができる。
【0051】
一方、自励発振を抑制するために、光吸収層は活性層に対する電流注入経路の外側に設ける必要がある。光吸収層を分布ブラッグ反射鏡内に設けた場合には、活性層に電流を注入する電極コンタクト層を共振器内ではなく、活性層から離れた分布ブラッグ反射鏡内に設けることができる。そのため、素子抵抗の増加を抑制することができる。
【0052】
光吸収層を上部または下部分布ブラッグ反射鏡内に設ける場合、好ましくは光吸収層を活性層側から5周期以内の分布ブラッグ反射鏡に設けることが望ましい。5周期よりも外側では、素子内の光の定在波分布のピーク強度が大きく減衰するため、光吸収層により活性層で発生した光を吸収する効率が低下してしまうためである。
【0053】
また、光吸収層の位置を、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子内の光定在波分布における腹の位置に設けることで、光吸収層による光吸収効率を向上させることができる。
【0054】
(2)第2の参考形態
本発明の第2の参考形態においては、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、外部からの入力光強度によって出力光強度を変調可能な垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、分布ブラッグ反射鏡の高反射帯域中に、複数の共振器モードが形成されるように共振器の長さが形成されており、複数の共振器モードのうちのひとつがレーザ発振波長であり、別の共振器モードが入力光波長と一致することを特徴としている。
【0055】
第2の参考形態の装置は、第1の参考形態に示した光変調方式を用いることが可能となっている。
【0056】
第2の参考形態の装置においては、図3に示すように、分布ブラッグ反射鏡の高反射帯域中に、複数の共振器モード(λ1、λ2、λ3)が形成されるように共振器の長さが形成されている。
【0057】
例えば、1.3μm帯において、GaAs/AlAs材料系で分布ブラッグ反射鏡を形成した場合に、共振器の光学波長はが6λ以上になると、高反射帯域中に、複数の共振器モードが形成される。共振器モードのひとつと、活性層の利得波長をほぼ一致させることで、垂直共振器型面発光半導体レーザの出力光波長を決定することができる。
【0058】
また、複数の共振器モードのうちで、発振波長とは別の共振器モードを入力光波長と一致させる。これにより、垂直共振器型面発光型半導体レーザ素子に入力された光は、分布ブラッグ反射鏡を通過して、共振器構造内や、上部または下部分布ブラッグ反射鏡内に設けられた光吸収層まで侵入することができるため、光吸収層と外部入力光との結合効率を向上させることができる。従って、より小さい入力光強度で出力光を変調させることが可能となる。
【0059】
また、入力光波長と出力光波長が異なるため、素子の一方の面から光を入出力する反射型で使用する場合に、入力光と出力光との区別が容易となる。
なお、本参考例の素子は、反射型だけではなく、ウエハの一方の面から入力し、他方の面から出力される透過型で使用することも可能である。
【0060】
(3)第3の参考形態
本発明の第3の参考形態においては、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、外部からの入力光強度によって出力光強度を変調可能な垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、分布ブラッグ反射鏡を通らずに光吸収層に入力光を入射する窓部が形成されたことを特徴としている。
【0061】
第3の参考形態では、分布ブラッグ反射鏡を通らずに光吸収層に入力光を入射する窓部が形成されたことで、垂直共振器型面発光型半導体レーザ素子に入力された光は、分布ブラッグ反射鏡で反射を受けることがなく、共振器構造内や、上部または下部分布ブラッグ反射鏡内に設けられた光吸収層まで侵入することができる。そのため、光吸収層と外部入力光との結合効率を向上させることができる。従って、より小さい入力光強度で出力光を変調させることが可能となる。
【0062】
また、入力光波長として共振器モードに一致した波長に限定する必要がなくなる。そのため、入力光の波長範囲が大きくとれるため、システム構成の制限が小さくなる。また、入力光の波長変動に対しても安定に動作させることができる。
【0063】
特許文献3においては、可飽和吸収領域に対して外部注入光を結合させるために、光導波路構造を設けている。一方、本方式では、導波路で結合させずに基板に垂直方向から入力光を入射させることができる。従って、作製工程が簡略化でき、また素子の集積密度を増加させることができる。
【0064】
なお、光吸収層の吸収飽和は、活性層の発振領域に対応した部分で発生させる必要がある。従って、入力光を入射する窓部は、面内方向で、活性層の発振領域に対して、キャリアの拡散長以内の距離になるように位置することが望ましい。
【0065】
(4)第1の実施形態(請求項1)
本発明の第1の実施形態は、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、基板と垂直方向にレーザ発振光を出力する垂直共振器型面発光半導体レーザ素子において、レーザ発振光の横モードを外部入力光強度によって変調することを特徴としている。
【0066】
第1の実施形態では、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子内に、活性層の光を吸収する光吸収層を面内でパターニングして設けている。例えば、発光領域の同心円状の中心部には光吸収層がなく、周辺部にのみ光吸収層が設けられている。そのため、外部入力光がない場合には、発振領域の周辺部で光吸収損失が増加するため、基本横モードで発振しやすくなる。
【0067】
そして、外部から光吸収層で吸収される波長の光を注入してやると、周辺部の光吸収層で吸収飽和が生じることにより、光吸収層の吸収損失が低減される。これにより、横モードが高次モードで発振しやすくなる。活性層の注入電流値を、外部入力光がない場合には基本横モードで発振し、外部入力光を入れた場合には高次横モードで発振するように設定することにより、外部入力光でレーザ発振光の横モードを変調することが可能となる。
【0068】
垂直共振器型面発光レーザ素子は、横モードによって出力される光の放射分布が異なる。従って、基板にほぼ垂直方向の光を選択的に取りこむようにすることで、基本横モードのときは光強度が強く、高次横モードのときには光強度が低下するため、光強度の変調も可能となる(図4参照)。
【0069】
また、図5に示すように、垂直共振器型面発光レーザ素子から出力される光を、基板と垂直方向と、斜め方向から同時に検出することにより、図6に示すように、外部入力信号に応じて出力信号を、通常信号と反転信号の2種類を取り出すことも可能である。
【0070】
また、別な応用として、信号を垂直共振器型面発光レーザ素子の活性層に注入する電気信号として入力し、出力されるレーザ光を基板と垂直方向と、斜め方向から同時に検出することにより、図7に示すように、外部入力光によって、出力信号の経路を変えることができる。
【0071】
これにより1系列の光信号(入力光)を2系列の出力光1,2に分離する光分岐動作が可能となる。また、電界吸収型光変調器と本実施形態の発光装置とを集積して構成することもできる。
【0072】
(5)第2の実施形態(請求項2)
本発明の第2の実施形態は、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、前記基板と垂直方向にレーザ発振光を出力する面型半導体発光装置と、電界吸収型光変調器とを、前記基板と垂直方向にモノリシック集積し、レーザ発振光の横モードを外部入力光強度によって変調可能としたことを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置である。
【0073】
電界吸収型光変調器においてバイアスを印加しない場合には、活性層で発光する光に対して透明となっている。そのため、面発光半導体レーザの閾電流は低いままである。
【0074】
一方、電界吸収型光変調器に逆方向バイアスを印加すると、光吸収係数が増加するため、面発光半導体レーザの閾電流は増加する。従って、活性層に対する注入電流を一定にしておき、電界吸収型光変調器に印加する電界を変調することにより、レーザ光出力強度を変調することが可能となる。
【0075】
半導体光変調器に電界を印加して変調する方式は、活性層に注入する電流値を直接変調する場合に比べて、変調周波数を増大させることができる。従って、面発光半導体レーザ装置を、10〜50GHzと高い変調周波数で変調することが可能である。
【0076】
さらに、第2の実施形態では、第1の実施形態と同様に、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子内に、活性層の光を吸収する光吸収層を面内でパターニングして設けている。例えば、発光領域の同心円状の中心部には光吸収層がなく、周辺部にのみ光吸収層が設けられている。そのため、外部入力光がない場合には、発振領域の周辺部で光吸収損失が増加するため、基本横モードで発振しやすくなる。
【0077】
そして、外部から光吸収層で吸収される波長の光を注入してやると、周辺部の光吸収層で吸収飽和が生じることにより、光吸収層の吸収損失が低減される。これにより、横モードが高次モードで発振しやすくなる。活性層の注入電流値を、外部入力光がない場合には基本横モードで発振し、外部入力光を入れた場合には高次横モードで発振するように設定することにより、外部入力光でレーザ発振光の横モードを変調することが可能となる。
【0078】
本発光装置では、活性層に注入する電流値を一定にしておき、信号を電界吸収型光変調器に印加する電界として入力し、出力されるレーザ光を基板と垂直方向と、斜め方向から同時に検出することにより、外部入力光によって、出力信号の経路を変えることができる。これにより、例えば10〜50GHzと高い変調周波数のシリアル光信号を、2系列に分離する光分岐動作を実現することができる。
【0079】
(6)第3の実施形態(請求項3)
本発明の第3の実施形態は、第1から第2の実施形態に記載した垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、出力光波長を掃引する機構を有することを特徴としている。
【0080】
垂直共振器型面発光半導体レーザ素子の発振波長を変える機構としては、共振器内に屈折率変調層を設ける方法がある。屈折率変調層は、バルク材料または超格子材料で構成されており、発振波長に対して透明となっている。屈折率変調層に電界を印加したり、電流を注入することによって屈折率を変化させることができる。これにより、共振器の光学長が変化して共振波長を変化させることが可能である。
【0081】
また、共振器中や、共振器と反射鏡の間や、反射鏡中にギャップを設けて、その間隔を変化させることで発振波長を変えることも可能である。
【0082】
本発明の第1から第2の実施形態に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においては、入力光波長範囲を広くとることが可能である。しかし、出力光波長については、素子によって1つの波長しか出力することができなかった。
【0083】
しかしながら、第3の実施形態では、出力光波長も変えることが可能である。即ち、同一の素子で、波長λ1、λ2、・・・、というように出力光波長を選択して出射することができる。そのため、波長λ1の光が入力した場合にλ2に波長変換して出力するだけでなく、波長λ2の光が入力した場合にλ1に変換して出力することができる。
【0084】
後述する第7の実施形態では、λ1からλ2に波長変換する素子と、λ2からλ1に波長変換する素子とは、構造が異なる別の素子を用いる必要がある。しかしながら、本実施形態では、同一の素子で、λ1とλ2の光信号を相互に変換することが可能である。
【0085】
また、本素子をモノリシックアレイ化することで、異なる波長を出力できる小型の波長変換スイッチを容易に構成することができる。
【0086】
(7)第4の実施形態(請求項4)
本発明の第4の実施形態においては、第1から第3の実施形態に記載した垂直共振器型面発光半導体レーザ素子において、光吸収層の光吸収にサブバンド間吸収を用いたことを特徴としている。
【0087】
サブバンド間吸収は、通常の伝導帯と価電子帯とのバンド間遷移による吸収とは異なり、量子井戸構造における伝導帯(または価電子帯)内の量子準位間での遷移によって生じる吸収である。サブバンド間吸収はキャリアの緩和時間がバンド間遷移よりも速いため、光吸収層の光吸収にサブバンド間吸収を用いた場合に、吸収飽和からの回復時間を短くすることができる。従って、より高速に光変調を行うことができる。
【0088】
(8)第5の実施形態(請求項5)
本発明の第5の実施形態においては、第1から第4の実施形態に記載した垂直共振器型面発光半導体レーザ素子において、光吸収層および/または活性層の材料として、窒素と他のV族元素とを含む混晶半導体を用いたことを特徴としている。
【0089】
窒素と他のV族元素とを含む混晶半導体は窒素系V族混晶半導体として知られている。III族元素としてGa,In,Alのいずれかまたは複数の元素を含み、V族元素として窒素(N)の他にAs,P,Sbのいずれかまたは複数の元素を含む混晶半導体である。
【0090】
GaNAs、GaNAsSb、GaInNAs、GaInNAsSb、GaInNAsP、GaInNAsPSb等はGaAs基板上にエピタキシャル成長することが可能である。そして、窒素組成が小さい範囲において、窒素を含まない元の結晶に比べてエネルギーバンドギャップが小さくなるという特性を有している。これにより、GaAs基板上に、1.2μm〜1.6μmの長波長帯の活性層、あるいは光吸収層を形成することができる。従って、光通信で用いられている波長に適した垂直共振器型面発光半導体レーザ素子を構成することができる。
【0091】
そして、GaAs基板を用いることで、AlGaAs材料系から構成された高性能の分布ブラッグ反射鏡を用いることができる。そのため、本発明の構成の基本となる垂直共振器型面発光レーザの特性が高くなる。
【0092】
また、窒素は他のV族元素であるAsやPとの非混和性が強いことが知られている。従って、光吸収層において窒素組成を高くすることにより、非発光再結合中心が増加してキャリア寿命を短くすることができる。従って、光吸収層に高濃度ドーピングした効果と同様に、キャリア緩和時間を短くすることができ、より高速で光を変調させることが可能となる。
【0093】
また、V族元素としてAsまたはPを主たる元素とする半導体に対して、窒素を少ない組成で添加した場合に、伝導帯のバンド端位置が大きく低下する。例えば、Nを1%含むGa0.7In0.3N0.01As0.99は、GaAsに対して350meVの伝導帯バンド端不連続を有することが報告されている(IEEE Journal of Selected Topics of Quantum Electronics, Vol.3, No.3, p719)。
【0094】
この効果により、窒素と他のV族元素とを含む混晶半導体を井戸層に用いると、伝導帯バンド不連続を拡大することができ、伝導帯内のサブバンド間吸収を利用した光吸収層を構成することも可能である。
【0095】
(9)第6の実施形態(請求項6)
本発明の第6の実施形態は、第1から第5の実施形態における垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことを特徴とする光論理演算装置である。
【0096】
例として、活性層の光を吸収する光吸収層を2層設けた場合について説明する。外部入力光Aは第1の光吸収層に入力され、第1の光吸収層の光吸収係数を飽和させる。また、外部入力光Bは、第2の光吸収層に入力され、第2の光吸収層の光吸収係数を飽和させる。
【0097】
外部入力光AとBが同時に入力された場合に、光吸収層の吸収損失が低減されて、レーザ発振し、外部入力光がない場合、または一方のみ入力された場合にはレーザ発振しないように、活性層の注入電流を制御する。これにより、2本の入力光信号に対して、ANDの論理演算に対応した光を出力することが可能となる。
【0098】
また、外部入力光のいずれか一方または両方が入力された場合にレーザ発振し、外部入力光がない場合にレーザ発振しないように活性層の注入電流を設定することもできる。この場合には、2本の入力光信号に対して、ORの論理演算に対応した光を出力することが可能である。
【0099】
従って、活性層に注入する電流値を制御することで、AND動作とOR動作の両方を実現できる光論理演算素子を構成することができる。
【0100】
さらに、光吸収層を3層以上設けることにより、多値論理演算を行わせることもできる。また、光吸収層が1層のみの場合でも、各入力信号の強度を調整することにより、論理演算動作を実行させることができる。
【0101】
(10)第7の実施形態(請求項7)
本発明の第7の実施形態は、第1から第5の実施形態における垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことを特徴とする波長変換装置である。
【0102】
基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含む垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いることで、第1の参考形態に記載した光変調方式が実現できる。このとき、外部からの入力光波長と、レーザの出力光波長とを異なる波長に設定することができる。第2の参考形態〜第5の実施形態に記載した垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においても、外部からの入力光波長と、レーザの出力光波長とを異なる波長に設定することができる。
【0103】
第1の参考形態に記載した変調方式では、入力光強度のオン/オフ信号を、そのまま出力光強度のオン/オフ信号に変換できるため、異なる波長に光信号を変換することができる。このとき、入力光波長と出力光波長は、ともに光吸収層で吸収される必要があるため、入力光波長と出力光波長は光吸収層のバンドギャップ波長と同じか短い波長である必要がある(図8参照)。
【0104】
この範囲であれば、入力光波長は、出力光波長(λ1)よりも短波長(λ2)でも長波長(λ3)でもかまわない。従って、本実施形態の波長変換装置では、入力光と出力光の波長を適切に選択して構成することで、短波長(λ2)から長波長(λ1)への波長変換のみではなく、長波長(λ3)から短波長(λ1)への変換も可能である。例えば、0.85μmの波長の光と1.3μmの波長の光とを変換することも可能である。
【0105】
また、本装置を2段に接続することで、光信号を同じ波長に戻すことも可能となる。
【0106】
なお、入力光波長が出力光波長よりも短波長である場合、入力光が活性層に入力されると、活性層においても光は吸収され、活性層内で光励起キャリアを発生させる。そのため、活性層に加える注入電流が一定であっても、光励起によるキャリアが活性層に注入されるため、光出力は増加する。従って、外部入力光は光吸収層を吸収飽和する働きに加えて、活性層を光励起する効果により、出力光強度をより大きく変調することができる。
【0107】
(11)第8の実施形態(請求項8)
本発明の第8の実施形態は、第7の実施形態の波長変換装置において、波長0.85μm帯の光信号と波長1.3μm帯の光信号とを変換することを特徴としている。
【0108】
0.85μm帯の入力光信号を1.3μm帯の出力光信号に変換する場合には、活性層のバンドギャップ波長を1.3μm帯とし、光吸収層のバンドギャップ波長は1.3μmと同じか、それよりも長い波長に設定する。波長0.85μm帯の入力光を光吸収層に入射させると、光吸収層で吸収係数の飽和が生じるため、1.3μm帯の出力光の強度が変化する。
【0109】
逆に、1.3μm帯の入力光信号を0.85μm帯の出力光信号に変換する場合には、活性層のバンドギャップ波長を0.85μm帯とし、光吸収層のバンドギャップ波長は1.3μmと同じか、それよりも長い波長に設定する。波長1.3μm帯の入力光を光吸収層に入射させると、光吸収層で吸収係数の飽和が生じるため、0.85μm帯の出力光の強度が変化する。
【0110】
本発明においては、入出力波長を0.85μm帯から1.3μm帯、または1.3μm帯から0.85μm帯へと大きく波長変換することが可能である。これは、活性層と光吸収層が積層方向に集積されており、それぞれのバンドギャップを任意に変えることが可能となっているためである。この特徴により、入力光波長と出力光波長との波長差を大きくとることができる。
【0111】
1.3μm帯の光は、シングルモード石英光ファイバにおいて、伝送損失が小さい波長に対応しており、比較的長距離のLANや機器間の光伝送に適している。一方、0.85μm帯の光は、マルチモード石英光ファイバを使用した機器内等の光配線に用いることが可能である。
【0112】
本実施形態の波長変換装置を用いることにより、機器内の光配線に使用される0.85μm帯の光信号を、一度電気に変換することなくそのまま機器外部の1.3μm帯の光信号に変換して入出力させることが可能となる。これにより、伝送のスループットを大きく向上させることができる。
【0113】
(12)第9の実施形態(請求項9)
本発明の第9の実施形態は、第1から第5の実施形態における垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことを特徴とする光パルス波形整形装置である。
【0114】
第9の実施形態の光パルス波形整形装置においても、基本的に第1の参考形態に記載した光変調方式を用いて動作させている。
【0115】
図9に示すように、外部から素子に入力される光として、クロック光と信号光の2種類を用いる。信号光は光伝送による分散の影響でパルス形状が矩形ではなく、劣化して立ち上がりと立ち下がりが裾を引いている場合を考える。一方、クロック光は、矩形状のパルスであり、データ取り出しのタイミングを決定している。
【0116】
光パルス形状が伝送によって歪んで、パルスの立ち上がりと立ち下がりが裾を引くようになると、符号間干渉が生じて符号の読み取りエラーが増加してしまう。そこでパルス波形を整形して符号間干渉を抑制する必要が生じる。
【0117】
クロック光と信号光が同時に入力されると、入力光強度は信号光においてクロック光と重なった部分が強くなり、重なっていない部分は強度が低くなっている。そして、クロック光と信号光が重なった部分において、垂直共振器型面発光レーザの出力光強度が強くなり(発振状態)、重なっていない部分では垂直共振器型面発光レーザの出力光強度が低くなる(発振停止状態)ように光出力の閾値(Pth)を設定しておく。
【0118】
これにより、信号光の立ち上がりと立ち下がりの部分ではPthよりも入力強度が低くなるため出力強度が低いままとなり、クロック光のパルス幅に相当する出力光が得られる。
【0119】
また、クロック光の光強度をPthよりも低く設定することで、信号光が入力されないクロック光のみの場合では、垂直共振器型面発光レーザの出力光強度は低いままにすることができる。これにより、信号光のオン/オフ情報が、そのまま出力光に継承される。なお、この光パルス波形整形動作は、光を入出力信号に用いた論理演算動作を応用している。
【0120】
以上の動作により、劣化してパルスの立ち上がりと立ち下がりで裾を引く光パルス波形を、整形して出力することができる。
【0121】
本実施形態の光パルス波形整形装置は、第1から第5の実施形態における垂直共振器型面発光半導体レーザ素子を基本としている。従って、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子の特徴である低消費電力、低コスト、2次元アレイ化が容易である等の特徴を生かして光パルス波形整形装置を形成することができる。
【0122】
(13)第10の実施形態(請求項10)
本発明の第10の実施形態による光伝送システムは、第1から第5のいずれかの実施形態の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置、第6の実施形態の光論理演算装置、第7または第8の実施形態の波長変換装置、あるいは第9の実施形態の光パルス波形整形装置を用いたことを特徴とする光伝送システムを用いたことを特徴としている。
【0123】
これにより、光論理演算、波長変換、光パルス波形整形、系列分離等の光情報処理機能を有する高性能の光伝送システムを構成することができる。そして、光情報処理を行う半導体発光装置の基本要素は垂直共振器型面発光半導体レーザ装置となっているため、低消費電力、低コストでシステムを構築することができる。また、2次元アレイ化も可能であり、光並列情報処理に適した構造となっている。
【0124】
次に、本発明の詳細な実施例を用いて、より具体的に説明する。
まず、本発明の参考例を説明してから実施例を説明する。
(参考例1)
図1は、本発明の参考例1に係る変調機能を有する垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【0125】
図1を参照すると、n型GaAs基板601上に、n型の下部分布ブラッグ反射鏡(DBR)602が積層されている。n型の下部DBR602は、高屈折率層をGaAsとし、低屈折率層をAlGaAs、例えばAl0.8Ga0.2Asとして交互に積層して形成されている。
【0126】
n型の下部DBR602の上には、共振器構造603が形成されている。共振器構造603中には、基板側からInGaAs/GaAs多重量子井戸(MQW)構造からなる光吸収層604、InGaAs/GaAs-MQW活性層605、AlAs層606が設けられている。共振器構造内で、光吸収層604、活性層605、AlAs層606の各層間は、GaAsスペーサ層で構成されている。
【0127】
光吸収層604のInGaAs井戸層のバンドギャップは、活性層605のInGaAs井戸層のバンドギャップと同じか小さくなっており、活性層605で発生した光を吸収できるようにしている。
【0128】
また、活性層605と光吸収層604は、共振器構造内の光の定在波分布における腹の位置に設けられている。これは、活性層および光吸収層と光との結合効率を大きくするためである。また、AlAs層606は、共振器構造内の光の定在波分布における節の位置に設けられている。
【0129】
共振器構造603上には、p型の上部DBR608が積層されている。p型の上部DBR608は、高屈折率層をGaAsとし、低屈折率層をAlGaAs、例えばAl0.8Ga0.2Asとして交互に積層して形成されている。
【0130】
積層構造表面から活性層605と光吸収層604との間までエッチングして矩形または円筒状のメサ構造を形成されている。メサ構造の頂上部には、光出射部を除いてp側電極609が形成されており、メサエッチングして表面が露出した共振器構造603途中に、n側電極610が形成されている。なお、n側電極610は、図示されていないが、共振器構造内のn型GaAsコンタクト層上に形成されている。
【0131】
AlAs層606は、メサエッチングした側面から選択的に酸化されて絶縁領域607が形成されている。
【0132】
p側電極609とn側電極610に順方向バイアスを加えると、電流は絶縁領域607で電流が狭窄され、酸化されていないAlAs層606の開口部分を通って、InGaAs/GaAs-MQW活性層605に電流が注入されて、波長0.98μm帯で発光する。
【0133】
活性層605で発生した光は、下部DBR602と、上部DBR608とではさまれた共振器構造603内で共振し、レーザ発振して基板と垂直に上方向に出力される。すなわち、図1の半導体発光素子は垂直共振器型面発光半導体レーザとして動作する。
【0134】
図1の垂直共振器型面発光半導体レーザ素子内には、活性層605の光を吸収する光吸収層604が共振器内に設けられている。そのため、図2のBに示すように、光吸収層604により共振器の吸収損失が増加して、光吸収層604が設けられていない場合に比べて半導体レーザの閾電流は増加している。
【0135】
ここで、外部(基板側)から光吸収層604で吸収される波長の光、例えば波長0.98μmの光を注入してやる。GaAsは波長0.98μmの光に対しては透明であるため、n型GaAs基板601を透過して光吸収層604に外部注入光が入射され、光が吸収される。吸収された光により光吸収層604内でキャリアが発生するため、外部入力光強度を強くしていくと、光吸収層604の吸収飽和が生じる。
【0136】
これにより、光吸収層604の吸収係数が低減されるため、活性層605で発生した光に対する光吸収損失も低減される。これにより、半導体レーザの閾電流は、外部から光を注入していないときよりも低下する。従って、活性層605に対する注入電流(Iop)を一定にしておくと、外部から光を注入することで、図2のAに示すように、光を注入しない場合に比べて出力されるレーザ光強度が増加する。
【0137】
そして、再び外部入力光を切ると、光吸収層604内で光励起されたキャリアが減少し、活性層605の光に対する吸収が増加する。従って、図2のBに示すように、半導体レーザの閾電流が増加して光出力が減少する。
【0138】
以上の動作により、外部からの光入力信号をオン/オフすることによって、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置から出力されるレーザ光強度を制御して変調することが可能となる。
【0139】
なお、図1に示した構造において、n型GaAs基板601裏面に電極を形成し、光吸収層604に対して、逆バイアス電界を印加することも可能である。これにより、外部注入光をオフしたときに、光吸収層604内に残った励起キャリアを速やかに排出することができるため、スイッチオフ時間をより短くすることができる。
【0140】
(参考例2)
図10は、本発明の参考例2に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【0141】
図10を参照すると、n型GaAs基板601上に、n型下部GaAs/AlGaAs-DBR602が積層されている。n型の下部DBR602の上には、共振器構造603が形成されている。
【0142】
共振器構造603中には、基板側からInGaAs/GaAs-MQW活性層605、AlAs層606、InGaAs/GaAs-MQW光吸収層604が設けられている。共振器構造内で、活性層605、AlAs層606、光吸収層604の各層間は、GaAsスペーサ層で構成されている。
【0143】
光吸収層604のInGaAs井戸層のバンドギャップは、活性層605のInGaAs井戸層のバンドギャップと同じか小さくなっており、活性層605で発生した光を吸収できるようにしている。
【0144】
また、活性層605と光吸収層604は、共振器構造内の光の定在波分布における腹の位置に設けられている。また、AlAs層606は、共振器構造内の光の定在波分布における節の位置に設けられている。共振器構造603上には、p型上部GaAs/AlGaAs-DBR608が積層されている。
【0145】
積層構造表面から光吸収層604とAlAs層606との間までエッチングして矩形または円筒状の第1のメサ構造を形成されている。さらに、第1のメサ構造よりも大きなメササイズで、n型下部DBR602に達するまでエッチングして、第2のメサ構造が形成されている。
【0146】
第1のメサ構造のエッチングで表面が露出した共振器構造の途中には、p側電極609が形成されており、n型GaAs基板601の裏面には、n側電極610が形成されている。なお、p側電極609は、図示されていないが、共振器構造内のp型GaAsコンタクト層上に形成されている。
【0147】
AlAs層606は、第2のメサ構造のエッチングにより露出したメサ側面から選択的に酸化されて絶縁領域607が形成されている。
【0148】
図10に示す実施例2の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においても、実施例1と同様に、外部からの光入力信号をオン/オフすることによって、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置から出力されるレーザ光強度を制御して変調することができる。なお、実施例1においては、基板裏面から光を入力して、基板表面から光を出力する透過型で構成しているが、実施例2においては、入力光と出力光をともに基板表面から入出力させる反射型となっている。
【0149】
さらに、図10に示した垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においては、共振器長を長くすることにより、DBRの高反射帯域中に複数の共振器モードが形成されていることを特徴としている。本実施例では、共振器構造全体の光学的厚さを10λで作製しており、950.5nm、980nm、1012nmの3つの共振器モードが形成されている。
【0150】
活性層605のバンドギャップ波長を980nmとほぼ一致するようにすることで、垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の出力光波長を980nmとしている。
【0151】
また、複数の共振器モードのうちで、発振波長980nmとは別の共振器モード950.5nmと入力光波長を一致させている。これにより、垂直共振器型面発光型半導体レーザ装置に入力された光は、p型DBR608を通過して、共振器構造603に設けられた光吸収層604まで侵入することができるため、光吸収層604と入力光との結合効率を向上させることができる。従って、より小さい入力光強度で出力光を変調させることが可能となる。
【0152】
また、本実施例においては素子の一方の面から光を入出力する反射型で構成しているが、入力光波長と出力光波長が異なるため、入力光と出力光との信号分離が非常に容易である。
【0153】
(参考例3)
図11は、本発明の参考例3に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【0154】
図11を参照すると、n型GaAs基板601上に、第1のn型GaAs/AlGaAs下部DBR801が積層されている。n型の下部DBR801上には、InGaAs/GaAs-MQW構造からなる光吸収層604が形成されており、光吸収層604上には第2のn型GaAs/AlGaAs下部DBR802、GaAs下部スペーサ層803、InGaAs/GaAs-MQW活性層605、GaAs上部スペーサ層804、AlAs層606、p型のGaAs/AlGaAs上部DBR608が順次積層されている。
【0155】
GaAs下部スペーサ層803、InGaAs/GaAs-MQW活性層605、GaAs上部スペーサ層804を合わせた領域が共振器構造となっている。活性層605は、共振器構造内の光の定在波分布において腹の位置に設けられている。また、AlAs層606は、素子の光の定在波分布における節の位置に設けられている。
【0156】
光吸収層604のInGaAs井戸層のバンドギャップは、活性層605のInGaAs井戸層のバンドギャップと同じか小さくなっており、活性層605で発生した光を吸収できるようにしている。
【0157】
積層構造表面から第2のn型GaAs/AlGaAs下部DBR802の途中までエッチングして矩形または円筒状のメサ構造が形成されている。メサ構造の頂上部には、光出射部を除いてp側電極609が形成されており、メサエッチングして表面が露出した面にn側電極610が形成されている。
【0158】
さらに、n側電極610の1部が除去されて、外部から光を入力する窓部805が形成されている。光吸収層604と窓部805表面との間隔は、光学的距離においてλ/4よりも薄くなるように作製した。
【0159】
AlAs層606は、メサエッチングした側面から選択的に酸化されて絶縁領域607が形成されている。
【0160】
図11の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においては、分布ブラッグ反射鏡を通らずに光吸収層604に外部から光が入力されるように、窓部805が設けられている。そのため、入力された光は、分布ブラッグ反射鏡で反射を受けることがなく、下部DBR内に設けられた光吸収層604まで侵入することができる。そのため、光吸収層604と外部入力光との結合効率を向上させることができる。従って、より小さい入力光強度で出力光を変調させることが可能となる。
【0161】
また、入力光波長として共振器モードに一致した波長に限定する必要がなくなる。そのため、入力光として用いる波長範囲が大きくとることができ、システム構成の制限が小さくなる。また、入力光の波長変動に対しても安定に動作させることができる。
【0162】
上記参考例では、光吸収層604と窓部805表面との間隔を光学的距離でλ/4よりも薄くなるように作製している。しかし、光吸収層604と窓部805表面との間に薄いDBRが設けられていてもよい。
【0163】
光吸収層604と窓部805表面とのDBR周期を1〜2周期と小さくすることでも、入力光の反射が抑制されて光吸収層604と入力光との結合効率が向上する。しかし、光吸収層604と窓部805表面とのDBR周期が増加するほど、光吸収層604が侵入できる帯域が狭くなるため、層厚を薄くするほうが好ましい。
【0164】
次に、図11の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いた波長変換動作について説明する。
図11の素子においては、参考例1と同様に入力光強度をオン/オフすることにより、レーザ出力光強度を変調することができる。従って、入力光の強度変調によるデジタル信号を、そのまま出力光の強度によるデジタル信号に変換することができる。
【0165】
入力光の波長と出力光の波長は、共に光吸収層604のバンドギャップ波長と同じか短い波長である必要がある。これは、光吸収層604によって入力光および活性層605で発生した光を吸収できるようにするためである。本実施例では、光吸収層604のバンドギャップ波長を1100nmとし、出力光の波長を980nmとした。
【0166】
一方、入力光はDBRを通らずに光吸収層604に結合されるため、入力光波長が共振モードで制限されることがない。そのため、入力光波長の選択範囲が広くなっている。
【0167】
入力光波長として950nmの光を用いた場合、入力光は光吸収層604のバンドギャップ波長より短いため、光吸収層604で吸収される。よって、950nmの光信号を、980nmの光信号に変換することが可能である。
【0168】
また、入力光波長として、1020nmの光を用いた場合でも、入力光は光吸収層604のバンドギャップ波長より短いため、光吸収層604で吸収される。そのため、1020nmの光信号を、980nmの光信号に変換することが可能である。
【0169】
即ち、同じ素子を用いて、短波長から長波長への波長変換と、長波長から短波長への変換が可能となる。従って、波長分割多重通信における波長変換処理を、容易に実施することができる。
【0170】
次に、本発明の実施例を説明する。
(実施例1)
図12は、本発明の実施例1に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【0171】
図12を参照すると、n型GaAs基板601上に、n型GaAs/AlGaAs下部DBR602が積層されている。n型下部DBR602上には、GaAs下部スペーサ層803、GaInNAs/GaAs-MQW活性層1001、GaAs上部スペーサ層804、AlAs層606、p型のGaAs/AlGaAs上部DBR608が順次積層されている。
【0172】
積層構造表面からn型GaAs/AlGaAs下部DBR602に達するまでエッチングして円筒状のメサ構造が形成されている。メサ構造の頂上部には、光出射部を除いてリング状のp側電極609が形成されている。また、n型GaAs基板601裏面にはn側電極610が形成されている。
【0173】
さらに、図12の素子の特徴として、メサ構造頂上部に形成された円形のp側電極609の開口部において、リング状にGaInNAs/GaAs-MQW光吸収層1002が形成されている。
【0174】
また、AlAs層606はメサエッチングした側面から選択的に酸化されて、絶縁領域607が形成されている。
【0175】
図12の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置においては、活性層1001で発生した光を吸収する光吸収層1002をリング形状で形成している。そのため、外部入力光がない場合には、発振領域の周辺部は光吸収層1002によって光吸収損失が増加するため、高次横モードは基本横モードよりも損失が大きくなり、基本モードが発振しやすくなる。
【0176】
一方、外部から光吸収層1002で吸収される波長の光を注入してやると、光吸収層1002で吸収飽和が生じることにより、光吸収層1002の吸収損失が低減する。そのため、発振領域の中心部と周辺部で吸収損失の差がなくなるため、高次横モードで発振しやすくなる。
【0177】
従って、活性層の注入電流値を、外部入力光がない場合には基本横モードで発振し、外部入力光を入れた場合には高次横モードで発振するように設定することにより、外部入力光でレーザ発振光の横モードを変調することが可能となる。
【0178】
垂直共振器型面発光レーザ装置における、出力光の放射分布の1例を図4に示す。基本横モードの場合には、基板と垂直方向で最も光強度が強くなる。一方、高次(1次)モードでは、基板と垂直方向で強度が小さく、10〜15度傾いた方向で光強度が強くなっている。そのため、図12の素子から出力される光を垂直方向、あるいは斜め方向から検出すると、横モードによって光強度が変調される。
【0179】
この場合、図12の素子から出力される光を、基板と垂直方向から検出すると、出力符号は入力符号に対して反転して出力される。一方、基板に対して斜め方向から検出した場合には、反転されずにそのまま出力される。
【0180】
また、本実施例では、活性層1001の井戸層材料としてGaInNAsを用いている。GaInNAsは、GaAs基板上にエピタキシャル成長することが可能であり、また窒素組成が小さい範囲において、窒素を含まないGaInAsに比べてエネルギーバンドギャップが小さくなるという特性を有している。
【0181】
これにより、GaAs基板上に、1.2μm〜1.6μmの長波長帯の活性層を形成することができる。従って、光通信で用いられている波長帯に適した半導体発光装置を構成することができる。本実施例では、出力光波長を1.3μmとした。
【0182】
また、GaAs基板を用いることで、GaAs/AlGaAs材料系から構成された高性能のDBRを用いることができる。そのため、本発明の構成の基本となる垂直共振器型面発光レーザの特性が高くなる。即ち、消費電力が低く、温度特性が良好な長波長帯面発光レーザを作製できる。
【0183】
また、本実施例では、光吸収層1002の井戸層材料にもGaInNAsを用いている。窒素(N)は他のV族元素であるAsとの非混和性が強いため、光吸収層1002において活性層よりも窒素組成を高くすることにより、キャリア寿命を短くすることができる。これにより、光吸収層1002内のキャリア緩和時間を短くして、より高速で光を変調させることができる。
【0184】
(実施例2)
図13は、本発明の実施例2に係る半導体発光素子の断面図である。
図13を参照すると、p型GaAs基板1501上に、p型GaAs/AlGaAs下部DBR1502が積層されている。p型下部DBR1502上には光吸収層1503、n型GaAs/AlGaAs下部DBR1504が積層されている。
【0185】
n型GaAs/AlGaAs下部DBR1504の途中にはAlAs層1505が設けられている。さらに、n型GaAs/AlGaAs下部DBR1504上には、GaAs下部スペーサ層803、GaInNAs/GaAs-MQW活性層1001、GaAs上部スペーサ層804、AlAs層606、p型のGaAs/AlGaAs上部DBR608が順次積層されている。
【0186】
積層構造表面からn型GaAs/AlGaAs下部DBR1504に達するまでエッチングして円筒状のメサ構造が形成されている。メサ構造の頂上部には、光出射部を除いてリング状のp側電極609が形成されている。
【0187】
さらに、メサ構造頂上部に形成された円形のp側電極609の開口部において、リング状にGaInNAs/GaAs-MQW光吸収層1002が形成されている。
【0188】
1506はエッチングで表面が露出したn型GaAs/AlGaAs下部DBR1504上に形成されたn側電極であり、1507はp型GaAs基板1501裏面に形成されたp側電極(610)となっている。
【0189】
また、AlAs層606および1505は側面から選択的に酸化されて、絶縁領域607が形成されている。
【0190】
図13の半導体発光素子においては、電極609と電極1506との間に順方向バイアスを加えることで、活性層1001に電流が注入されて発光する。このとき、電流はAlAs層606が選択酸化されていない領域を通るため、電流を酸化の開口径に対応して狭窄することができる。
【0191】
活性層1001で発光した光は、DBR608と、DBR1504およびDBR1502との間で共振し、利得が損失を上回ると、基板と垂直方向にレーザ発振する。
【0192】
また、光吸収層1503は電界吸収型光変調器を構成している。電極1506と電極1507との間に逆方向バイアスを印加することにより、選択酸化されていないAlAs層1505を通って、レーザ発振領域の光吸収層1503に電界が印加される。
【0193】
光吸収層1503に電界が印加されると、光吸収層1503のバンドギャップは縮小する。電界を印加しない場合には、活性層1001の光に対して透明であり、電界を印加した場合に活性層1001の光を吸収するように光吸収層1503のバンドギャップを設定した。
【0194】
光吸収層1503にバイアスを印加しない場合には、活性層1001で発光する光に対して透明となっているため、面発光半導体レーザの閾電流は低いままである。
【0195】
一方、光吸収層1503に逆方向バイアスを印加すると、光吸収損失が増加するため、面発光半導体レーザの閾電流は増加する。従って、活性層1001に対する注入電流を一定にしておき、光吸収層1503に印加する電界を変調することにより、レーザ光出力強度を変調することができる。
【0196】
光吸収層1503からなる電界吸収型光変調器に電界を印加して変調する方式は、活性層1001に注入する電流値を直接変調する場合に比べて、変調周波数を増大させることができる。従って、面発光半導体レーザ装置を、10〜50GHzと高い変調周波数で変調することが可能である。
【0197】
光吸収層1503としては、バルク層または量子井戸構造を用いることができる。本実施例においては、光吸収層1503をGaInNAs/GaAs-MQW構造で構成した。
【0198】
また、図13においては、活性層1001で発生した光を吸収する別な光吸収層1002をリング形状で形成している。外部入力光がない場合には、発振領域の周辺部は光吸収層1002によって光吸収損失が増加するため、高次横モードは基本横モードよりも損失が大きくなり、基本モードが発振しやすくなる。
【0199】
一方、外部から光吸収層1002で吸収される波長の光を注入してやると、光吸収層1002で吸収飽和が生じることにより、光吸収層1002の吸収損失が低減する。そのため、発振領域の中心部と周辺部で吸収損失の差がなくなるため、高次横モードで発振しやすくなる。
【0200】
従って、活性層の注入電流値を、外部入力光がない場合には基本横モードで発振し、外部入力光を入れた場合には高次横モードで発振するように設定することにより、外部入力光でレーザ発振光の横モードを変調することが可能となる。
【0201】
以上の構成により、図13の半導体発光素子は、光吸収層1503に印加する電界によって出力光強度を変調し、光吸収層1002に入力する外部光によって、レーザ発振光の横モードを変調させることができる。それぞれの変調は独立に制御することが可能である。
【0202】
活性層1001に注入する電流値を一定にしておき、信号を光吸収層1503に印加する電界として入力し、出力されるレーザ光を基板と垂直方向と、斜め方向から同時に検出することにより、外部入力光によって、出力信号の経路を変えることができる。これにより、例えば10〜50GHzと高い変調周波数のシリアル信号を、2系列に分離する光分岐動作を実現することができる。
【0203】
(実施例3)
図14は、本発明の実施例3に係る半導体発光素子の断面図である。
図14を参照すると、n型GaAs基板601上に、第1の下部分布ブラッグ反射鏡(DBR)1701、1703が積層されている。そして、下部DBR中には、光吸収層1702が設けられている。
【0204】
下部DBR1703上には、n型GaAsスペーサ層1704、GaInNAs/GaAs-MQW活性層1001、p型GaAsスペーサ層1705、AlAs層606、p型GaAsスペーサ層1706が順に積層されている。
【0205】
さらに、p型GaAsスペーサ層1706上にはエアギャップ1707を介して上部DBR1709が設けられている。下部DBR1703と上部DBR1709ではさまれた領域が共振器構造1708を構成している。
【0206】
積層構造表面から下部DBR1703に達するまでエッチングしてメサ構造を形成されている。メサ構造の頂上部には、光出射部を除いてp側電極1710が形成されている。また、メサ構造のエッチングした底面にはn側電極1711が形成されている。
【0207】
AlAs層606は、エッチングした側面から選択的に酸化されて絶縁領域607が形成されている。
【0208】
p側電極1710とn側電極1711に順方向バイアスを加えると、電流はAlAs層606の開口部分を通って、活性層1001に電流が注入されて、1.3μm帯で発光する。活性層1001で発生した光は、共振器構造1708によって選択された共振モードで共振し、基板と垂直にレーザ光が出力される。
【0209】
図14の素子においては、活性層1001の光を吸収する光吸収層1702が設けられている。そのため、吸収損失が増加して、光吸収層1702が設けられていない場合に比べて閾電流は高くなっている。ここで、第2のメサ構造エッチング底面から、光吸収層1702で吸収される波長の外部入力光を注入してやると、光吸収層1702の吸収係数が飽和して光吸収損失が低減される。
【0210】
これにより、閾電流は、外部から光を注入していないときよりも低下する。従って、外部からの光入力信号によって、面発光半導体レーザから出力されるレーザ光強度を変調することが可能となる。このとき、入力光波長を出力光波長と異なる波長に設定することにより、波長変換動作を実現できる。
【0211】
また、図14の共振器1708内部にはエアギャップ1707が設けられている。エアギャップ1707の間隔を変化させることにより、共振器1708の長さが変化するため、面発光レーザの共振モード波長をシフトさせることが可能となる。
【0212】
これにより、出力光波長を掃引可能な波長変換素子を実現することができる。エアギャップ1707の間隔は、静電引力や圧電素子を用いて外部から制御することが可能である。
【0213】
図15は、図14の波長変換素子を用いて構成した光交換装置の1例を示している。
【0214】
図15において、光ファイバ1801から入力された波長λ1、λ2、λ3、λ4の光信号は、波長分波器1802で、波長ごとに空間的に分離される。そして、分離されたそれぞれの光信号は波長変換素子1803によって波長変換された後に、合波器1804で再び合流して1本の光ファイバ1801から出力される。
【0215】
図15においては、1例として、λ1をλ4に、λ2をλ3に、λ3をλ2に、λ4をλ1に変換する動作を示している。しかし、各波長変換素子は、波長λ1〜λ4の任意の波長で出力することが可能であり、出力波長の組み合わせを自由に切りかえることができる。
【0216】
図15においては、1本の光ファイバ中を4波長の光信号で伝送しており、波長分割多重伝送方式を用いている。λ1からλ4の波長として、例えば、1290nm、1295nm、1300nm、1305nmの4波長を用いた。
【0217】
図14の光吸収層1702のバンドギャップ波長を1305nmより長くすることで、λ1からλ4までの全ての波長を吸収可能である。活性層1704のバンドギャップ波長は1295nmとした。また、エアギャップ1707を変化させることで、発振波長を1290〜1305nmまで変化させることができる。
【0218】
従って、図14の波長変換素子を用いることで、同一の素子構造で、波長λ1〜λ4の任意の光を入力し、波長λ1〜λ4の任意の光に変換して出力することが可能である。そのため、4素子の波長変換素子をモノリシック集積することが可能である。これにより、波長変換装置のサイズを小型化することができる。
【0219】
(実施例4)
図16は、本発明の実施例4に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【0220】
図16に示した垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の構成は、図11に示した構成と類似している。図11の構成と異なっている点は、活性層1001として、波長1.3μm帯のGaInNAs/GaAs-MQW構造を用いていることである。これにより、光通信に適した波長で、動作させることができる。
【0221】
また、光吸収層1101として、GaInNAs/AlAs-MQW構造を用いたことを特徴としている。例えば、In組成0.1で窒素組成2%のGaInNAsとAlAsとの伝導帯(Γ帯)バンド不連続は、約1.43eVとなる。
【0222】
井戸幅4.6nmの量子井戸構造において、伝導帯に形成される量子準位の基底準位(0次)と3次の準位間のエネルギー差は約950meVとなり、1.3μmの波長に相当する。この伝導帯におけるサブバンド間の吸収を用いることで、1.3μmの光を吸収することができる。
【0223】
なお、Ga0.9In0.1N0.02As0.98井戸層のバンドギャップ波長は約1.23μmであり1.3μmよりも短くなっている。従って、伝導帯と価電子とのバンド間吸収はほとんど生じることがない。
【0224】
光吸収層1101の吸収過程として、伝導帯内のサブバンド間吸収を用いたことにより、吸収飽和からの回復時間を短くすることができるため、さらに高速に動作する光変調を実現することができる。
【0225】
なお、光吸収層1101において、GaInNAs井戸層とAlAs障壁層との界面に1nm程度のGaAsを中間層として設けることができる。これにより、GaInNAs井戸層とAlAs障壁層との界面平坦性を著しく改善することができる。
【0226】
以上の実施例においては、基板としてn型GaAs基板を使用した例を用いて説明した。しかしながら、基板の導電型としてp型や(半)絶縁性基板を用いることもできる。また、GaAsの他に、GaP、InP、GaSb、InAs、GaN、サファイア、SiC、ZnO、Si等各種の単結晶基板を使用することができる。
【0227】
また、DBRを構成する半導体材料としては、AlGaAs系の他にInGaAsP系、AlGaInP系、AlGaInAs系、AlGaN系等を用いることも可能である。あるいは、上部DBR構造については、誘電体多層膜を用いることも可能である。
【0228】
また、光吸収層は1層のみではなく、素子内に複数設けることも可能である。また、垂直共振器型面発光半導体レーザ素子に波長掃引機構を設けることにより、出力光波長を変化させることも可能である。
【0229】
(実施例5)
図17は、本発明の実施例5に係る半導体発光素子の断面図である。
【0230】
図17を参照すると、n型GaAs基板601上に、下部分布ブラッグ反射鏡(DBR)1601、1603、1605が積層されている。そして、下部DBR中には、第1の光吸収層1602、第2の光吸収層1604が設けられている。
【0231】
下部DBR1605上には、下部GaAsスペーサ層803、InGaAs/GaAs-MQW活性層605、上部GaAsスペーサ層804、AlAs層606、p型GaAsDBR608が設けられている。
【0232】
積層構造表面から下部DBR1605の途中までエッチングして矩形または円筒状のメサ構造を形成されている。メサ構造の頂上部には、光出射部を除いてp側電極609が形成されており、メサエッチングして表面が露出した下部DBR1605にはn側電極610が形成されている。AlAs層606は、メサエッチングした側面から選択的に酸化されて絶縁領域607が形成されている。
【0233】
p側電極609とn側電極610に順方向バイアスを加えると、電流は酸化されていないAlAs層606の開口部分を通って、InGaAs/GaAs-MQW活性層605に電流が注入されて、波長0.98μm帯で発光する。活性層605で発生した光は、下部DBR1601、1603、1605と、上部DBR608とではさまれた共振器構造内で共振し、基板と垂直に上方向にレーザ光が出力される。
【0234】
光吸収層1602および1604は、活性層605のバンドギャップと同じか小さくなっており、活性層605で発生した光を吸収する。本実施例では、光吸収層1602のバンドギャップ波長を1.0μm、光吸収層1604のバンドギャップ波長を1.1μmとした。
【0235】
また、光吸収層1602は、素子の光の定在波分布における腹の位置に設けた。これにより、素子内で定在波を構成している光と光吸収層1602との結合効率が大きくなる。一方、光吸収層1604は、素子の光の定在波分布における節の位置近傍に設けた。
【0236】
次に、図17の半導体発光素子の動作について説明する。
実施例8は、素子に対して2つの入力光AとBを入力し、その論理演算結果を出力光として得る光論理演算素子として動作する。
【0237】
入力光Aは、出力光波長と同じ0.98μmであり、基板裏面から素子に入力している。一方、入力光Bは波長1.05μmであり、エッチングで露出した下部DBR1605の窓部から入力している。
【0238】
入力光Aは素子の共振器モードと位相整合しているため、定在波分布における腹の位置に設けた光吸収層1602と結合して吸収される。一方、光吸収層1604は節の位置近傍に設けているため、入力光Aとの結合効率が低くなっている。
【0239】
入力光Bの波長は、光吸収層1602のバンドギャップ波長よりも長く、光吸収層1604のバンドギャップ波長よりも短くなっている。そのため、光吸収層1604によって吸収されるが、光吸収層1602に対しては透明となっている。従って、入力光Aは光吸収層1602と結合し、入力光Bは光吸収層1604と結合する構成となっている。
【0240】
外部からの入力光AとBが同時に入力された場合には、光吸収層1602および1604の吸収係数が飽和して、吸収損失が低減される。これにより、レーザ発振して出力光が基板上方に出射される。
【0241】
一方、外部入力光がない場合、または一方のみ入力された場合には、光吸収層による吸収損失のため、レーザ発振しないように活性層の注入電流を制御する。これにより、2本の入力光信号A,Bに対して、ANDの論理演算に対応した光を出力することが可能となる。
【0242】
また、外部入力光A,Bのいずれか一方または両方が入力された場合にレーザ発振し、外部入力光がない場合にレーザ発振しないように活性層の注入電流を設定することもできる。この場合には、2本の入力光信号に対して、ORの論理演算に対応した光を出力することが可能である。
【0243】
(実施例6)
図18は、本発明の実施例6に係る波長変換装置の構成図である。
図18において、基板1401上に波長変換素子1404と1405が設けられている。1402はシングルモード石英光ファイバであり、1403はマルチモード石英光ファイバであり、1406は光合波器となっている。
【0244】
図18において、シングルモード石英光ファイバ1402は外部のLANに接続されており、波長1.3μmの光で双方向に光信号を伝送する。外部からシングルモード石英光ファイバ1402に入力された光信号は、光合波器1406を通って波長変換素子1404に入力される。
【0245】
ここで、波長1.3μmから0.85μmの光信号に変換された後に、マルチモード石英光ファイバ1403に出力される。マルチモード石英光ファイバ1403は、機器内のユニットに光接続されており、ユニット間の光配線として使用されている。
【0246】
一方、マルチモード石英光ファイバ1403からの入力信号は、波長変換素子1405において、波長0.85μmから1.3μmに波長変換され、光合波器1406を通ってからシングルモード石英光ファイバ1402に出力される。
【0247】
配線長が比較的短距離の機器内光配線においては、実装が容易なマルチモード石英光ファイバ1403が用いており、光信号の波長を0.85μmとしている。一方、外部LANに接続する場合には、伝送距離が長距離でも伝送損失が低いシングルモード石英光ファイバ1402を使用して、光信号の波長を1.3μmとしている。本実施例の波長変換装置では、装置外部と内部で異なる波長の光信号を、変換する働きをしている。
【0248】
波長変換素子の構造は、参考例1に示した図1の半導体発光素子とほぼ同様の構造をしている。0.85μmの光信号を1.3μmの光信号に変換する波長変換素子1405においては、活性層をGaInNAs材料で構成することにより、バンドギャップ波長を1.3μm帯とした。そして、1.3μmでレーザ発振するように、分布ブラッグ反射鏡と共振器長の層厚を設定している。
【0249】
そして、光吸収層のバンドギャップ波長は1.3μmと同じか、それよりも長い波長に設定して、活性層の光を吸収するようにしている。波長0.85μmの入力光を光吸収層に入射させると、光吸収層で吸収係数の飽和が生じるため、1.3μmの出力光強度を変調することができる。
【0250】
波長0.85μmの外部光が光吸収層に達する途中の層では、各積層構造のバンドギャップは波長0.85μmの光に対して透明になるようにした。なお、基板側から外部光を入力する場合には、GaAs基板をエッチングで除去して入力窓部を形成する必要がある。
【0251】
1.3μmの光信号を0.85μmの光信号に変換する波長変換素子1404においては、活性層をGaAs材料で構成してバンドギャップ波長を0.85μmとした。光吸収層はGaInNAs材料で構成しており、バンドギャップ波長は1.3μmと同じか、それよりも長い波長に設定した。
【0252】
波長1.3μmの入力光を光吸収層に入射させると、光吸収層で吸収係数の飽和が生じるため、0.85μmの出力光強度を変調することができる。なお、基板側から出力光を出射する場合には、GaAs基板をエッチングで除去して出力窓部を形成する必要がある。
【0253】
図18の波長変換装置においては、光信号を1度電気に変換してから再び光信号にもどすことなく波長変換している。従って、装置構成が簡略化できる。また、信号変換に要する遅延時間が短縮されるため、信号伝送のスループットを向上させることができる。
【0254】
(実施例7)
図19は、本発明の実施例7に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【0255】
図19を参照すると、n型GaAs基板601上に、n型下部GaAs/AlGaAs-DBR602が積層されている。n型の下部DBR602の上には、GaAs下部スペーサ層803、InGaAs/GaAs-MQW活性層605、GaAs上部スペーサ層804、AlAs層606、第1のp型上部GaAs/AlGaAs-DBR901、InGaAs/GaAs-MQW光吸収層604、第2のp型上部GaAs/AlGaAs-DBR902が順に積層されている。
【0256】
積層構造表面から第2のp型上部GaAs/AlGaAs-DBR902の途中までエッチングして矩形または円筒状の第1のメサ構造が形成されている。また、第1のメサ構造よりも大きなメササイズで、第1のp型上部GaAs/AlGaAs-DBR901の途中までエッチングして、第2のメサ構造が形成されている。さらに、第2のメサ構造よりも大きなサイズで、n型下部GaAs/AlGaAs-DBR602に達するまでエッチングして、第3のメサ構造が形成されている。
【0257】
第2のメサ構造のエッチングで表面が露出した第1のp型上部GaAs/AlGaAs-DBR901の途中には、p側電極609が形成されており、n型GaAs基板601の裏面には、n側電極610が形成されている。
【0258】
AlAs層606は、第3のメサ構造のエッチングにより露出した側面から選択的に酸化されて絶縁領域607が形成されている。
【0259】
p側電極609とn側電極610に順方向バイアスを加えると、電流は絶縁領域607で電流が狭窄され、酸化されていないAlAs層606の開口部分を通って、InGaAs/GaAs-MQW活性層605に電流が注入されて、波長0.98μm帯で発光する。活性層605で発生した光は、下部DBR602と、上部DBR901,902との間で共振し、レーザ発振して第1のメサ構造の頂上部より、基板と垂直上方向に出力される。
【0260】
第1のメサ構造のエッチングで露出した底面は、外部から光吸収層604に光を入力する窓部805となっている。光吸収層604と窓部805表面との間隔は、光学的距離においてλ/4よりも薄くなるように作製した。
【0261】
これにより、光吸収層604と外部入力光との結合効率を向上させて、より小さい入力光強度で出力光を変調させることが可能となる。また、入力光として用いる波長範囲を大きくとることができる。
【0262】
次に、図19の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いた光パルス波形整形動作について説明する。
【0263】
外部から素子に入力される光として、クロック光と信号光の2種類を用いる。信号光は光伝送による分散の影響でパルス形状が矩形ではなく劣化している場合を考える。一方、クロック光は、矩形状のパルスであり、データ取り出しのタイミングを決定している。図19においては、クロック光を入力光1とし、信号光を入力光2とした。
【0264】
クロック光と信号光が同時に入力されると、光吸収層604に入力される入力光強度は信号光においてクロック光と重なった部分が強くなり、重なっていない部分は強度が低くなっている。
【0265】
そして、クロック光と信号光が重なった部分において、垂直共振器型面発光レーザが発振状態となり、重なっていない部分では垂直共振器型面発光レーザが発振停止状態となるように光出力の閾値(Pth)を設定する。
【0266】
これにより、信号光の立ち上がりと立ち下がりの部分ではPthよりも入力強度が低くなるため出力強度が低いままとなり、クロック光のパルス幅に対応したパルス幅の出力光が得られる。
【0267】
また、クロック光の光強度をPthよりも低く設定することで、信号光が入力されないクロック光のみの場合では、垂直共振器型面発光レーザ装置の出力光強度は低いままにすることができる。これにより、信号光のオン/オフ情報が、そのまま出力光に継承される。
【0268】
上記の光パルス波形整形装置を光伝送システムの中継装置に用いることで、光ファイバ伝送によって劣化した光信号を増幅・整形して出力できるため、伝送距離を伸ばすことが可能となる。また、光パルス波形整形装置を垂直共振器型面発光レーザ装置で構成しているため、装置の製造コストを低減することができる。
【0269】
(実施例8)
図20は、図1、図10,図11,図12,図13,図14,図16,図17,図19に示した垂直共振器型面発光半導体レーザ装置(波長変換素子)を用いた光伝送モジュールの1例である。
【0270】
図20において、1201は入力用光ファイバアレイであり、1202は波長変換素子であり、1203は合波器であり、1204は出力用光ファイバである。
【0271】
4本の光ファイバがアレイ化された光ファイバアレイ1201から入力された並列光信号(波長λ0)は、それぞれ4個の波長変換素子1202で波長λ1、λ2、λ3、λ4に変換される。波長変換された光信号は、光合波器1203で1本の光導波路に結合され、それを4波長の波長分割多重方式で1本の光ファイバ1204で出力する構成となっている。これにより、並列伝送方式から波長分割多重方式に光信号を高速に変換することができる。
【0272】
(実施例9)
図21は、図1、図10,図11,図12,図13,図14,図16,図17,図19に示した垂直共振器型面発光半導体レーザ装置(波長変換素子)を用いた光伝送モジュールの別な構成例を示している。
【0273】
図21において、4本の光ファイバがアレイ化された光ファイバアレイ1201から入力された並列光信号(波長λ0)は、マイクロレンズアレイ1301で集光されて、それぞれ波長変換素子1202に入力される。波長変換素子1202では、4種類の光信号を波長λ1、λ2、λ3、λ4に波長変換する。
【0274】
なお、ここで波長変換素子は、透過型の素子構造を用いた。波長変換された光信号は、面型光合波器1302で1本に合成され、集光レンズ1303で集光して出力用光ファイバ1204に出力される。これにより、図21に示した光伝送モジュールと同様に、並列伝送方式から波長分割多重方式に光信号を高速に変換することができる。
【0275】
【発明の効果】
本発明によれば、次のような効果を奏する。以下、請求項毎にその効果を述べる。
【0279】
a)請求項1記載の発明によれば、レーザ発振光の横モードを外部入力光強度によって変調するようにしたので、反転信号の形成や、1系列の光信号を2系列に分離する光分岐動作が可能となる。
【0280】
b)請求項2記載の発明によれば、基板上に、活性層を含む共振器と、共振器の上下に形成された分布ブラッグ反射鏡と、活性層の光を吸収する光吸収層を含み、前記基板と垂直方向にレーザ発振光を出力する面型半導体発光装置と、電界吸収型光変調器とを、前記基板と垂直方向にモノリシック集積し、レーザ発振光の横モードを外部入力光強度によって変調可能としたことにより、10〜50GHzの高い変調周波数のシリアル光信号を、2系列に分離する光分岐動作を実現することができる。
【0281】
c)請求項3記載の発明によれば、請求項1または2に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、出力光波長を掃引する機構を有することにより、同一の素子で様々な入力光波長に対して出力光波長を変えて出力することができる。これにより、波長分割多重伝送方式における信号間の波長変換スイッチを容易に構成することができる。
【0282】
d)請求項4記載の発明によれば、請求項1から3のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、光吸収層の光吸収にサブバンド間吸収を用いたことにより、吸収飽和からの吸収回復時間を短くすることができ、より高速に光変調を行うことができる。
【0283】
e)請求項5記載の発明によれば、請求項1から4のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置において、光吸収層および/または活性層の材料として、窒素と他のV族元素とを含む混晶半導体を用いたことにより、光通信で用いられている波長に適した長波長帯の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を高性能に構成することができる。
【0284】
また、窒素と他のV族元素とを含む混晶半導体を光吸収層に用いることで、キャリア緩和時間を短くして、より高速に光を変調させることができる。
【0285】
また、窒素と他のV族元素とを含む混晶半導体を井戸層に用いると、伝導帯バンド不連続を拡大することができ、伝導帯内のサブバンド間吸収を利用した光吸収層を構成することも可能である。
【0286】
f)請求項6記載の発明によれば、請求項1から5のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いて光論理演算装置を構成したことにより、活性層に注入する電流値を制御することで、AND動作とOR動作の両方を実現できる光論理演算素子を実現することができる。
【0287】
g)請求項7記載の発明によれば、請求項1から5のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことにより、短波長から長波長への波長変換のみではなく、長波長から短波長への変換も可能な波長変換装置を容易に構成することができる。
【0288】
h)請求項8記載の発明によれば、請求項7記載の発明において、波長0.85μm帯の光信号と波長1.3μm帯の光信号とを波長変換することにより、シングルモード石英光ファイバを使用した比較的長距離のLANや機器間の光伝送システムと、マルチモード石英光ファイバを使用した機器内の光伝送システムとを高い伝送スループットで接続することが可能となる。
【0289】
i)請求項9記載の発明によれば、請求項1から5のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いたことにより、低消費電力、低コスト、2次元アレイ化が容易な光パルス波形整形装置を形成することができる。
【0290】
j)請求項10記載の発明によれば、請求項1から5のいずれか1項に記載の垂直共振器型面発光半導体レーザ装置、請求項6記載の光論理演算装置、請求項7または8記載の波長変換装置、あるいは請求項9記載の光パルス波形整形装置を用いたことにより、系列分離等の光情報処理機能を有する高性能の光伝送システムを構成することができる。
【0291】
また、基本要素として垂直共振器型面発光半導体レーザ装置を用いているため、低消費電力、低コストでシステムを構築することができる。また、2次元アレイ化も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 参考例1に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図2】 光変調動作を説明するための図である。
【図3】 長共振器を含む垂直共振器型面発光半導体レーザの反射スペクトルを示す図である。
【図4】 横モードと光放射分布との関係を示す図である。
【図5】 横モード光変調装置の構成図である。
【図6】 パルス反転動作を説明するための図である。
【図7】 パルス系列分離動作を説明するための図である。
【図8】 光吸収層の吸収係数と、入力光および出力光波長の関係を説明するための図である。
【図9】 光パルス波形整形の動作を説明するための図である。
【図10】 参考例2に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図11】 参考例3に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図12】 実施例1に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図13】 実施例2に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図14】 実施例3に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図15】 実施例6に係る光交換装置の構成図である。
【図16】 実施例4に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図17】 実施例5に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図18】 実施例6に係る波長変換装置の構成図である。
【図19】 実施例7に係る垂直共振器型面発光半導体レーザ装置の断面図である。
【図20】 実施例8に係る光伝送モジュールの構成例である。
【図21】 実施例9に係る光伝送モジュールの別な構成例である。
【符号の説明】
601:n型GaAs基板
602:n型GaAs/AlGaAsDBR
603:共振器構造
604:InGaAs/GaAs-MQW光吸収層
605:InGaAs/GaAs-MQW活性層
606:AlAs層
607:選択酸化された絶縁領域
608:p型GaAs/AlGaAsDBR
609:p側電極
610:n側電極
801:第1のn型DBR
802:第2のn型DBR
803:下部スペーサ層
804:上部スペーサ層
805:入力窓
901:第1のp型DBR
902:第2のp型DBR
1001:GaInNAs/GaAs-MQW活性層
1002:GaInNAs/GaAs-MQW光吸収層
1101:GaInNAs/AlAs-MQW光吸収層
1201:光ファイバアレイ
1202:波長変換素子
1203:光合波器
1204:光ファイバ
1301:マイクロレンズアレイ
1302:光合波器
1303:集光レンズ
1401:基板
1402:シングルモード石英光ファイバ
1403:マルチモード石英光ファイバ
1404:波長変換素子A
1405:波長変換素子B
1406:光合波器
1501:p型GaAs基板
1502:p型GaAs/AlGaAsDBR
1503:光吸収層
1504:n型GaAs/AlGaAsDBR
1505:AlAs層
1506:n側電極
1507:裏面電極
1601:第1の下部DBR
1602:第1の光吸収層
1603:第2の下部DBR
1604:第2の光吸収層
1605:第3の下部DBR
1701:第1の下部DBR
1702:光吸収層1702
1703:第2の下部DBR
1704:n型GaAsスペーサ層
1705:p型GaAsスペーサ層
1706:p型GaAsスペーサ層
1707:エアギャップ
1708:共振器
1709:上部DBR
1710:p側電極
1711:n側電極
1801:石英光ファイバ
1802:波長分波器
1803:波長変換素子
1804:合波器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device having a modulation function, and an optical logic operation device, a wavelength converter, an optical pulse waveform shaping device, and an optical transmission system using the same.
[0002]
[Prior art]
A vertical cavity surface emitting semiconductor laser device that emits laser light in a direction perpendicular to the substrate is expected to be a functional device for optical communication and optical information processing due to its low power consumption and the ability to form a two-dimensional array. Has been.
[0003]
As devices that perform a bistable operation by providing a saturable absorption region in a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device, Japanese Patent Publication Nos. 7-112087 (Patent Document 1) and JP-A-8-18146 ( Japanese Patent Publication No. 6-29625 (Patent Document 3) has been proposed.
[0004]
In the above-described bistable vertical cavity surface emitting semiconductor laser device, the laser beam output hysteresis characteristics with respect to the injection current of the active layer and the laser beam output hysteresis characteristics with respect to the light input to the saturable absorption region are used. Stable operation is realized.
[0005]
Therefore, when light is input to the saturable absorption region, the light output is kept on even when the light input is turned off. In order to turn off the optical output, it is necessary to increase the absorption by reducing the injection current of the active layer or increasing the reverse bias electric field applied to the saturable absorption region.
[0006]
In Japanese Patent Publication No. 6-29625 (Patent Document 3), an optical waveguide structure is provided to couple externally injected light to the saturable absorption region. Thereby, the coupling efficiency of externally injected light to the saturable absorption region is increased, and the optical switch operation is realized with a smaller light input intensity.
[0007]
In Japanese Patent Publication No. 6-29625 (Patent Document 3), another external injection light is incident on the active layer, and the bistable laser is shifted to the non-oscillation state by the gain quenching of the active layer. .
[0008]
JP-A-6-302916 (Patent Document 4) and JP-A-9-107148 (Patent Document 5) are other conventional examples in which a saturable absorption region is provided in a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device. Proposed. This is a self-pulsation type semiconductor laser using a phenomenon that the saturable absorption region is absorbed and saturated by the light of the vertical cavity surface emitting semiconductor laser itself.
[0009]
Furthermore, Japanese Patent Laid-Open No. 5-152673 (Patent Document 6) proposes a structure in which an external modulator that changes the light absorption rate by electroabsorption is integrated in a vertical cavity surface emitting laser device.
[0010]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No.7-112087
[Patent Document 2]
JP-A-8-18146
[Patent Document 3]
Japanese Patent Publication No. 6-29625
[Patent Document 4]
JP-A-6-302916
[Patent Document 5]
JP-A-9-107148
[Patent Document 6]
JP-A-5-152673
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
In the bistable vertical cavity surface emitting semiconductor laser device disclosed in Japanese Patent Publication No. 7-112087 (Patent Document 1) and Japanese Patent Laid-Open No. 8-18146 (Patent Document 2), light is input to the saturable absorption region. Is input, the light output remains on even when the light input is turned off. In order to turn off the optical output, it is necessary to increase the absorption by reducing the injection current of the active layer or increasing the reverse bias electric field applied to the saturable absorption region. Therefore, the output light cannot be turned on / off only by light input.
[0012]
In Japanese Patent Publication No. 6-29625 (Patent Document 3), the externally injected light is incident on the active layer separately from the externally injected light for turning on the light output, so that the bistable laser device is in a non-oscillating state. Transition to. For this reason, two control lights are required.
[0013]
In the self-oscillation vertical cavity surface emitting semiconductor laser device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-302916 (Patent Document 4) and Japanese Patent Laid-Open No. 9-107148 (Patent Document 5), data is transmitted as pulse light. The signal cannot be directly applied at the self-oscillation frequency.
[0014]
In addition, in a vertical cavity surface emitting laser integrated with an external modulator as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-152673 (Patent Document 6), the light intensity is modulated with the electric field strength applied to the modulator. All-optical switch operation cannot be realized.
[0015]
Therefore, each claim of the present invention has the following object.Have.
[0017]
Claim1From10Invention described inIsAn object is to realize a high-performance optical signal processing device (vertical cavity surface emitting semiconductor laser device, optical logic operation device, wavelength converter, optical pulse waveform shaping device, and optical transmission system using the same).
[0018]
[Means for Solving the Invention]
In order to achieve the above object, the present invention employs the following configuration. The characteristics of each claim will be described below.
[0022]
aClaim1The described invention includes, on a substrate, a resonator including an active layer, a distributed Bragg reflector formed above and below the resonator, and a light absorption layer that absorbs light of the active layer, and a laser perpendicular to the substrate. In a surface-type vertical cavity surface emitting semiconductor laser device that outputs oscillation light,SaidOf laser oscillation lightBasic transverse mode and primary higher-order modeIs modulated by the external input light intensity.
[0023]
bClaim2The described invention includes a resonator including an active layer on a substrate, a distributed Bragg reflector formed above and below the resonator, and a light absorbing layer that absorbs light of the active layer, and is perpendicular to the substrate. A surface-type semiconductor light-emitting device that outputs laser oscillation light and an electroabsorption optical modulator are monolithically integrated in a direction perpendicular to the substrate,SaidOf laser oscillation lightBasic transverse mode and primary higher-order modeModulated by external input light intensityDoThis is a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device.
[0024]
cClaim3The invention described in claim 1Or 2The vertical cavity surface emitting semiconductor laser device described in 1) has a mechanism for sweeping the output light wavelength.
[0025]
dClaim4The invention described is from claim 13The vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to any one of the above is characterized in that intersubband absorption is used for light absorption of the light absorption layer.
[0026]
eClaim5The invention described is from claim 14In the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to any one of the above, a mixed crystal semiconductor containing nitrogen and another group V element is used as a material for the light absorption layer and / or the active layer. It is said.
[0027]
fClaim6The invention described is from claim 15An optical logic operation device using the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to any one of the above.
[0028]
gClaim7The invention described is from claim 15A wavelength converter using the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to any one of the above.
[0029]
hClaim8The described invention is claimed.7The described wavelength converter is characterized by converting an optical signal having a wavelength of 0.85 μm and an optical signal having a wavelength of 1.3 μm.
[0030]
iClaim9The invention described is from claim 15An optical pulse waveform shaping device using the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to any one of the above.
[0031]
jClaim10The invention described is from claim 15The vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to claim 1,6Claims optical logic operation device, claim7Or8The wavelength converter according to claim 1 or claim9An optical transmission system using the described optical pulse waveform shaping device.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(1) FirstReference form
The first of the present inventionreferenceAs shown in FIG. 1, a
[0033]
Here, description will be made using the structure shown in FIG. 1, but the optical modulation method described here is shown in FIGS. 10, 11, 12, 13, 14, 16, 16, and 19 described later. The present invention can also be applied to the structure of the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device shown.
[0034]
BookExampleFor example, by adopting a structure having the
[0035]
FIG. 2 is a diagram for explaining the light modulation operation, and shows the relationship between the injection current (Iop) to the
[0036]
As shown in FIG. 1, by providing the
[0037]
Here, when light having a wavelength that is absorbed by the
[0038]
As a result, the threshold current of the semiconductor laser is lower than when no light is injected from the outside. Therefore, if the injection current (Iop) to the
[0039]
Then, when the external injection light is turned off again, the carriers photoexcited in the light absorption layer are reduced, and the absorption of the active layer with respect to the light is increased. Therefore, as shown in FIG. 2B, the threshold current of the semiconductor laser increases and the light output decreases.
[0040]
In particular, the difference in output light intensity is increased by setting the operating current Iop to oscillate when there is input light from the outside and not to oscillate when there is no input light from the outside. Therefore, the S / N ratio of modulation can be increased.
[0041]
With the above operation, it is possible to control and modulate the intensity of the laser beam output from the vertical cavity surface emitting semiconductor laser by turning on / off the optical signal input from the outside.
[0042]
In the above method, unlike the methods shown in Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 6, the intensity of the laser beam output from the vertical cavity surface emitting semiconductor laser is not an electrical signal but an optical signal. It is possible to modulate.
[0043]
Further, unlike the method disclosed in Patent Document 3, the output light intensity can be modulated with only one control light, so that the system configuration is simplified.
[0044]
As described above, this method does not use the hysteresis characteristic of injection current-light output or light input-light output (see FIG. 2). The hysteresis of the injection current-light output characteristic appears because the absorption saturation of the light absorption layer is caused by the light itself generated in the active layer. In this method, the operation is performed in such a range that the absorption saturation of the light absorption layer is sufficiently small for the light generated in the active layer and large for the externally injected light.
[0045]
In the bistable laser using the hysteresis characteristic, the output light intensity remains strong because the laser oscillation state is maintained even when the external injection light is turned off. On the other hand, in this method, as shown in FIG. 2B, when the external injection light is turned off, the output light intensity is lower than when the external injection light is input. can do. In this respect, the operation is different from that of the bistable laser.
[0046]
Further, by providing the position of the light absorption layer outside the path for injecting current into the active layer, the change in the absorption coefficient of the light absorption layer does not depend on the carrier density in the active layer. Therefore, self-excited oscillation as shown in Patent Document 5 can be suppressed.
[0047]
A reverse bias electric field can be applied to the light absorption layer. Thereby, when the external injection light is turned off, the excited carriers remaining in the light absorption layer can be quickly discharged, so that the switch-off time can be further shortened.
[0048]
Also, the light injected from the outside can be two light beams, bias light and control light. That is, the light intensity of the bias light and the control light is adjusted so that the absorption saturation of the light absorption layer does not occur only with the bias light, and the absorption saturation occurs only when the bias light and the control light are combined. In this case, since the bias light may be CW light, the signal for modulating the intensity of the laser light output from the vertical cavity surface emitting semiconductor laser is only one control light.
[0049]
As the light absorption layer, in addition to the bulk semiconductor layer, a quantum well structure or a superlattice structure can be used.
[0050]
The light absorption layer can be provided in the resonator structure, in the lower distributed Bragg reflector, in the upper distributed Bragg reflector, or outside the distributed Bragg reflector.
When the light absorption layer is provided in the resonator structure, the light absorption layer can be brought close to the active layer, so that the light of the active layer can be efficiently absorbed.
[0051]
On the other hand, in order to suppress the self-excited oscillation, the light absorption layer needs to be provided outside the current injection path for the active layer. When the light absorption layer is provided in the distributed Bragg reflector, the electrode contact layer for injecting current into the active layer can be provided not in the resonator but in the distributed Bragg reflector away from the active layer. Therefore, an increase in element resistance can be suppressed.
[0052]
When the light absorption layer is provided in the upper or lower distributed Bragg reflector, it is preferable that the light absorption layer is provided in the distributed Bragg reflector within 5 cycles from the active layer side. This is because the peak intensity of the standing wave distribution of light in the device is greatly attenuated outside the five periods, and the efficiency of absorbing light generated in the active layer by the light absorption layer is reduced.
[0053]
Moreover, the light absorption efficiency by the light absorption layer can be improved by providing the position of the light absorption layer at an antinode position in the optical standing wave distribution in the vertical cavity surface emitting semiconductor laser element.
[0054]
(2) SecondReference form
The second of the present inventionreferenceIn the embodiment, the substrate includes a resonator including an active layer, a distributed Bragg reflector formed above and below the resonator, and a light absorbing layer that absorbs light from the active layer, and is based on the intensity of input light from the outside. In the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device capable of modulating the output light intensity, the resonator length is formed so that a plurality of resonator modes are formed in the high reflection band of the distributed Bragg reflector. One of the plurality of resonator modes is a laser oscillation wavelength, and another resonator mode coincides with the input light wavelength.
[0055]
SecondreferenceThe device of the form is the firstreferenceIt is possible to use the light modulation method shown in the embodiment.
[0056]
SecondreferenceIn the apparatus of the embodiment, as shown in FIG. 3, the length of the resonator is formed so that a plurality of resonator modes (λ1, λ2, λ3) are formed in the high reflection band of the distributed Bragg reflector. ing.
[0057]
For example, in the 1.3 μm band, when a distributed Bragg reflector is formed with a GaAs / AlAs material system, if the optical wavelength of the resonator is 6λ or more, a plurality of resonator modes are formed in the high reflection band. . By making the gain wavelength of the active layer substantially coincide with one of the resonator modes, the output light wavelength of the vertical cavity surface emitting semiconductor laser can be determined.
[0058]
In addition, among the plurality of resonator modes, a resonator mode different from the oscillation wavelength is matched with the input light wavelength. As a result, the light input to the vertical cavity surface emitting semiconductor laser element passes through the distributed Bragg reflector and is provided in the resonator structure or in the upper or lower distributed Bragg reflector. Therefore, the coupling efficiency between the light absorption layer and the external input light can be improved. Therefore, it is possible to modulate the output light with a smaller input light intensity.
[0059]
In addition, since the input light wavelength and the output light wavelength are different, it is easy to distinguish the input light from the output light when used in a reflective type that inputs and outputs light from one surface of the element.
BookreferenceThe element of the example can be used not only in the reflection type but also in the transmission type in which the light is input from one surface of the wafer and output from the other surface.
[0060]
(3) ThirdReference form
The third of the present inventionreferenceIn the embodiment, the substrate includes a resonator including an active layer, a distributed Bragg reflector formed above and below the resonator, and a light absorbing layer that absorbs light from the active layer, and is based on the intensity of input light from the outside. The vertical cavity surface emitting semiconductor laser device capable of modulating the output light intensity is characterized in that a window portion for inputting the input light to the light absorption layer without passing through the distributed Bragg reflector is formed.
[0061]
ThirdreferenceIn the embodiment, since the window portion for inputting the input light to the light absorption layer without passing through the distributed Bragg reflector is formed, the light input to the vertical cavity surface emitting semiconductor laser element is distributed to the distributed Bragg reflector. The light absorption layer provided in the resonator structure or the upper or lower distributed Bragg reflector can be penetrated without being reflected by the light. Therefore, the coupling efficiency between the light absorption layer and the external input light can be improved. Therefore, it is possible to modulate the output light with a smaller input light intensity.
[0062]
Further, it is not necessary to limit the input light wavelength to a wavelength that matches the resonator mode. As a result, the wavelength range of the input light can be increased, and the system configuration is less restricted. In addition, it can be stably operated against fluctuations in the wavelength of the input light.
[0063]
In Patent Document 3, an optical waveguide structure is provided to couple externally injected light to the saturable absorption region. On the other hand, in this system, input light can be incident on the substrate from the vertical direction without being coupled by the waveguide. Therefore, the manufacturing process can be simplified and the integration density of the elements can be increased.
[0064]
It should be noted that the absorption saturation of the light absorption layer must be generated at a portion corresponding to the oscillation region of the active layer. Therefore, it is desirable that the window portion through which the input light is incident be positioned so as to be a distance within the carrier diffusion length in the in-plane direction with respect to the oscillation region of the active layer.
[0065]
(4) No.1Embodiments (claims)1)
First of the present invention1The embodiment includes a resonator including an active layer on a substrate, a distributed Bragg reflector formed above and below the resonator, and a light absorbing layer that absorbs light of the active layer, and a laser perpendicular to the substrate. In a vertical cavity surface emitting semiconductor laser element that outputs oscillation light, the transverse mode of the laser oscillation light is modulated by the intensity of external input light.
[0066]
First1In this embodiment, a light absorption layer that absorbs light of the active layer is provided in the vertical cavity surface emitting semiconductor laser element by patterning in the plane. For example, there is no light absorption layer in the concentric central part of the light emitting region, and the light absorption layer is provided only in the peripheral part. For this reason, when there is no external input light, light absorption loss increases in the peripheral portion of the oscillation region, so that oscillation is likely to occur in the fundamental transverse mode.
[0067]
When light having a wavelength that is absorbed by the light absorption layer is injected from the outside, absorption saturation occurs in the peripheral light absorption layer, thereby reducing the absorption loss of the light absorption layer. As a result, the transverse mode easily oscillates in the higher order mode. By setting the injection current value of the active layer to oscillate in the basic transverse mode when there is no external input light, and to oscillate in the higher-order transverse mode when external input light is input, It becomes possible to modulate the transverse mode of the laser oscillation light.
[0068]
The vertical cavity surface emitting laser element has a different radiation distribution of light output depending on the transverse mode. Therefore, by selectively capturing light in a direction substantially perpendicular to the substrate, the light intensity is strong in the basic transverse mode and the light intensity is lowered in the high-order transverse mode, so that the light intensity can be modulated. (See FIG. 4).
[0069]
Further, as shown in FIG. 5, by detecting the light output from the vertical cavity surface emitting laser element simultaneously from the vertical direction and the oblique direction with respect to the substrate, as shown in FIG. Accordingly, it is possible to take out two types of output signals, a normal signal and an inverted signal.
[0070]
As another application, by inputting a signal as an electric signal to be injected into the active layer of the vertical cavity surface emitting laser element, and detecting the output laser beam simultaneously from the substrate in the vertical direction and the oblique direction, As shown in FIG. 7, the path of the output signal can be changed by the external input light.
[0071]
As a result, an optical branching operation for separating one series of optical signals (input light) into two series of output lights 1 and 2 becomes possible. Further, the electroabsorption optical modulator and the light emitting device of this embodiment can be integrated.
[0072]
(5) No.2Embodiments (claims)2)
First of the present invention2The embodiment includes, on a substrate, a resonator including an active layer, distributed Bragg reflectors formed above and below the resonator, and a light absorption layer that absorbs light of the active layer, and is perpendicular to the substrate. A surface-type semiconductor light-emitting device that outputs laser oscillation light and an electroabsorption optical modulator are monolithically integrated in a direction perpendicular to the substrate so that the transverse mode of the laser oscillation light can be modulated by the external input light intensity. This is a feature of a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device.
[0073]
When no bias is applied in the electroabsorption optical modulator, it is transparent to the light emitted from the active layer. Therefore, the threshold current of the surface emitting semiconductor laser remains low.
[0074]
On the other hand, when a reverse bias is applied to the electroabsorption optical modulator, the light absorption coefficient increases, so that the threshold current of the surface emitting semiconductor laser increases. Therefore, the laser beam output intensity can be modulated by keeping the injection current to the active layer constant and modulating the electric field applied to the electroabsorption optical modulator.
[0075]
The modulation method by applying an electric field to the semiconductor optical modulator can increase the modulation frequency as compared with the case of directly modulating the current value injected into the active layer. Therefore, it is possible to modulate the surface emitting semiconductor laser device with a modulation frequency as high as 10 to 50 GHz.
[0076]
In addition2In the embodiment,1As in the first embodiment, a light absorption layer for absorbing light of the active layer is provided in the vertical cavity surface emitting semiconductor laser element by patterning in the plane. For example, there is no light absorption layer in the concentric central part of the light emitting region, and the light absorption layer is provided only in the peripheral part. For this reason, when there is no external input light, light absorption loss increases in the peripheral portion of the oscillation region, so that oscillation is likely to occur in the fundamental transverse mode.
[0077]
When light having a wavelength that is absorbed by the light absorption layer is injected from the outside, absorption saturation occurs in the peripheral light absorption layer, thereby reducing the absorption loss of the light absorption layer. As a result, the transverse mode easily oscillates in the higher order mode. By setting the injection current value of the active layer to oscillate in the basic transverse mode when there is no external input light, and to oscillate in the higher-order transverse mode when external input light is input, It becomes possible to modulate the transverse mode of the laser oscillation light.
[0078]
In this light emitting device, the current value injected into the active layer is kept constant, the signal is input as an electric field applied to the electroabsorption optical modulator, and the output laser beam is simultaneously transmitted in the vertical direction and the oblique direction with respect to the substrate. By detecting, the path of the output signal can be changed by the external input light. Thereby, for example, an optical branching operation for separating a serial optical signal having a high modulation frequency of 10 to 50 GHz into two systems can be realized.
[0079]
(6) No.3Embodiments (claims)3)
First of the present invention3Embodiments 1 to 12The vertical cavity surface emitting semiconductor laser device described in the embodiment has a mechanism for sweeping the output light wavelength.
[0080]
As a mechanism for changing the oscillation wavelength of the vertical cavity surface emitting semiconductor laser element, there is a method of providing a refractive index modulation layer in the resonator. The refractive index modulation layer is made of a bulk material or a superlattice material, and is transparent to the oscillation wavelength. The refractive index can be changed by applying an electric field to the refractive index modulation layer or injecting a current. Thereby, it is possible to change the resonance wavelength by changing the optical length of the resonator.
[0081]
It is also possible to change the oscillation wavelength by providing a gap in the resonator, between the resonator and the reflecting mirror, or in the reflecting mirror and changing the interval.
[0082]
1st to 1st of the present invention2In the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device described in the embodiment, the input light wavelength range can be widened. However, as for the output light wavelength, only one wavelength can be output by the element.
[0083]
However, the second3In this embodiment, the output light wavelength can also be changed. That is, the output light wavelength can be selected and emitted by the same element, such as wavelengths λ1, λ2,. For this reason, when light of wavelength λ1 is input, not only is wavelength converted to λ2 and output, but also when light of wavelength λ2 is input, it can be converted to λ1 and output.
[0084]
No. described later7In this embodiment, it is necessary to use different elements having different structures for the element that converts the wavelength from λ1 to λ2 and the element that converts the wavelength from λ2 to λ1. However, in this embodiment, it is possible to mutually convert the optical signals of λ1 and λ2 with the same element.
[0085]
In addition, by making this element into a monolithic array, a small wavelength conversion switch that can output different wavelengths can be easily configured.
[0086]
(7) No.4Embodiments (claims)4)
First of the present invention4In the embodiment, the first to the first3The vertical cavity surface emitting semiconductor laser device described in the embodiment is characterized in that intersubband absorption is used for light absorption of the light absorption layer.
[0087]
Intersubband absorption is absorption caused by transition between quantum levels in the conduction band (or valence band) in a quantum well structure, unlike absorption due to interband transition between the normal conduction band and valence band. is there. Since the intersubband absorption has a carrier relaxation time faster than the interband transition, the recovery time from the absorption saturation can be shortened when the intersubband absorption is used for the light absorption of the light absorption layer. Therefore, light modulation can be performed at higher speed.
[0088]
(8) No.5Embodiments (claims)5)
First of the present invention5In the embodiment, the first to the first4The vertical cavity surface emitting semiconductor laser element described in the embodiment is characterized in that a mixed crystal semiconductor containing nitrogen and another group V element is used as a material for the light absorption layer and / or the active layer. .
[0089]
A mixed crystal semiconductor containing nitrogen and another group V element is known as a nitrogen-based group V mixed crystal semiconductor. This is a mixed crystal semiconductor containing any one or a plurality of elements of Ga, In, Al as a group III element and any one or a plurality of elements of As, P, Sb in addition to nitrogen (N) as a group V element.
[0090]
GaNAs, GaNASSb, GaInNAs, GaInNAsSb, GaInNAsP, GaInNAsPSb, etc. can be epitaxially grown on a GaAs substrate. And in the range with a small nitrogen composition, it has the characteristic that an energy band gap becomes small compared with the original crystal | crystallization which does not contain nitrogen. Thereby, an active layer having a long wavelength band of 1.2 μm to 1.6 μm or a light absorption layer can be formed on the GaAs substrate. Accordingly, a vertical cavity surface emitting semiconductor laser element suitable for the wavelength used in optical communication can be configured.
[0091]
By using a GaAs substrate, a high performance distributed Bragg reflector made of an AlGaAs material system can be used. Therefore, the characteristics of the vertical cavity surface emitting laser that is the basis of the configuration of the present invention are improved.
[0092]
Nitrogen is known to be highly immiscible with other group V elements such as As and P. Therefore, by increasing the nitrogen composition in the light absorption layer, non-radiative recombination centers can be increased and the carrier life can be shortened. Therefore, the carrier relaxation time can be shortened and the light can be modulated at a higher speed, similar to the effect of high concentration doping in the light absorption layer.
[0093]
In addition, when nitrogen is added with a small composition to a semiconductor whose main element is As or P as a group V element, the band edge position of the conduction band is greatly lowered. For example, Ga containing 1% N0.7In0.3N0.01As0.99Has been reported to have a conduction band edge discontinuity of 350 meV with respect to GaAs (IEEE Journal of Selected Topics of Quantum Electronics, Vol. 3, No. 3, p719).
[0094]
Due to this effect, when a mixed crystal semiconductor containing nitrogen and another group V element is used for the well layer, the conduction band discontinuity can be expanded, and the light absorption layer utilizing intersubband absorption in the conduction band. It is also possible to configure.
[0095]
(9) No.6Embodiments (claims)6)
First of the present invention6Embodiments 1 to 15This is an optical logic operation device using the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to the embodiment.
[0096]
As an example, a case where two light absorption layers that absorb light of the active layer are provided will be described. The external input light A is input to the first light absorption layer and saturates the light absorption coefficient of the first light absorption layer. Further, the external input light B is input to the second light absorption layer and saturates the light absorption coefficient of the second light absorption layer.
[0097]
When external input light A and B are input at the same time, the absorption loss of the light absorption layer is reduced and laser oscillation occurs, and when there is no external input light or when only one input is input, laser oscillation does not occur. The injection current of the active layer is controlled. As a result, it is possible to output light corresponding to an AND logical operation for two input optical signals.
[0098]
Further, the injection current of the active layer can be set so that laser oscillation occurs when one or both of the external input light is input and laser oscillation does not occur when there is no external input light. In this case, it is possible to output light corresponding to an OR logical operation for two input optical signals.
[0099]
Therefore, by controlling the current value injected into the active layer, an optical logic operation element that can realize both the AND operation and the OR operation can be configured.
[0100]
Furthermore, multi-valued logical operations can be performed by providing three or more light absorption layers. Further, even when there is only one light absorption layer, it is possible to execute a logical operation by adjusting the intensity of each input signal.
[0101]
(10) No.7Embodiments (claims)7)
First of the present invention7Embodiments 1 to 15A wavelength converter using the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to the embodiment.
[0102]
A vertical cavity surface emitting semiconductor laser device including a resonator including an active layer, a distributed Bragg reflector formed above and below the resonator, and a light absorption layer that absorbs light of the active layer is used on a substrate. And the firstreferenceThe light modulation method described in the embodiment can be realized. At this time, the input light wavelength from the outside and the output light wavelength of the laser can be set to different wavelengths. SecondreferenceForm to No.5Also in the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device described in the embodiment, the wavelength of the input light from the outside and the output light wavelength of the laser can be set to different wavelengths.
[0103]
FirstreferenceIn the modulation system described in the embodiment, an on / off signal having an input light intensity can be converted into an on / off signal having an output light intensity as it is, so that an optical signal can be converted to a different wavelength. At this time, since both the input light wavelength and the output light wavelength need to be absorbed by the light absorption layer, the input light wavelength and the output light wavelength need to be the same as or shorter than the band gap wavelength of the light absorption layer. (See FIG. 8).
[0104]
Within this range, the input light wavelength may be shorter (λ2) or longer (λ3) than the output light wavelength (λ1). Therefore, in the wavelength conversion device of the present embodiment, by appropriately selecting and configuring the wavelengths of the input light and the output light, not only the wavelength conversion from the short wavelength (λ2) to the long wavelength (λ1) but also the long wavelength Conversion from (λ3) to a short wavelength (λ1) is also possible. For example, light having a wavelength of 0.85 μm and light having a wavelength of 1.3 μm can be converted.
[0105]
Further, by connecting this apparatus in two stages, it is possible to return the optical signal to the same wavelength.
[0106]
When the input light wavelength is shorter than the output light wavelength, when the input light is input to the active layer, the light is also absorbed in the active layer and photoexcited carriers are generated in the active layer. Therefore, even if the injection current applied to the active layer is constant, the light output increases because carriers due to photoexcitation are injected into the active layer. Accordingly, the external input light can modulate the output light intensity more greatly by the effect of photoexciting the active layer in addition to the function of absorbing and saturating the light absorption layer.
[0107]
(11) No.8Embodiments (claims)8)
First of the present invention8The embodiment of the first7The wavelength conversion device according to the embodiment is characterized in that it converts an optical signal having a wavelength of 0.85 μm and an optical signal having a wavelength of 1.3 μm.
[0108]
When converting an input optical signal in the 0.85μm band to an output optical signal in the 1.3μm band, the band gap wavelength of the active layer is set to 1.3μm band, and the band gap wavelength of the light absorption layer is equal to or less than 1.3μm. Also set a longer wavelength. When input light having a wavelength of 0.85 μm is incident on the light absorption layer, the absorption coefficient is saturated in the light absorption layer, so that the intensity of the output light in the 1.3 μm band changes.
[0109]
Conversely, when converting an input optical signal in the 1.3 μm band into an output optical signal in the 0.85 μm band, the band gap wavelength of the active layer is set to 0.85 μm, and the band gap wavelength of the light absorption layer is equal to 1.3 μm. , Set to a longer wavelength. When input light having a wavelength of 1.3 μm is incident on the light absorption layer, the absorption coefficient is saturated in the light absorption layer, so that the intensity of output light in the 0.85 μm band changes.
[0110]
In the present invention, the input / output wavelength can be largely wavelength-converted from the 0.85 μm band to the 1.3 μm band, or from the 1.3 μm band to the 0.85 μm band. This is because the active layer and the light absorption layer are integrated in the stacking direction, and the respective band gaps can be arbitrarily changed. Due to this feature, the wavelength difference between the input light wavelength and the output light wavelength can be increased.
[0111]
The light in the 1.3 μm band corresponds to a wavelength with a small transmission loss in a single mode silica optical fiber, and is suitable for optical transmission between a relatively long distance LAN and equipment. On the other hand, the light in the 0.85 μm band can be used for optical wiring in equipment using multimode quartz optical fibers.
[0112]
By using the wavelength converter of the present embodiment, the 0.85 μm band optical signal used for the optical wiring in the device is converted into the 1.3 μm band optical signal outside the device without converting it to electricity once. Input / output is possible. Thereby, the transmission throughput can be greatly improved.
[0113]
(12) No.9Embodiments (claims)9)
First of the present invention9Embodiments 1 to 15An optical pulse waveform shaping device using the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to the embodiment.
[0114]
First9Also in the optical pulse waveform shaping device of the embodiment, basically the firstreferenceThe optical modulation system described in the embodiment is used for operation.
[0115]
As shown in FIG. 9, two types of light, clock light and signal light, are used as light input to the element from the outside. Consider a case in which the signal light is not rectangular due to the influence of dispersion caused by optical transmission, and the rising and falling edges have a trailing edge due to deterioration. On the other hand, the clock light is a rectangular pulse and determines the timing of data extraction.
[0116]
When the optical pulse shape is distorted by transmission and the rising and falling edges of the pulse become trailing, intersymbol interference occurs and the code reading error increases. Therefore, it is necessary to shape the pulse waveform to suppress intersymbol interference.
[0117]
When the clock light and the signal light are input at the same time, the intensity of the input light becomes strong at the portion of the signal light that overlaps the clock light, and the strength of the portion that does not overlap is low. Then, the output light intensity of the vertical cavity surface emitting laser becomes strong (oscillation state) in the portion where the clock light and the signal light overlap, and the output light intensity of the vertical cavity surface emitting laser is low in the portion where it does not overlap. The optical output threshold value (Pth) is set so that (oscillation is stopped).
[0118]
As a result, the input intensity is lower than Pth at the rising and falling portions of the signal light, so that the output intensity remains low, and output light corresponding to the pulse width of the clock light is obtained.
[0119]
Further, by setting the light intensity of the clock light lower than Pth, the output light intensity of the vertical cavity surface emitting laser can be kept low in the case of only the clock light to which no signal light is input. Thereby, the on / off information of the signal light is directly inherited by the output light. Note that this optical pulse waveform shaping operation applies a logical operation using light as an input / output signal.
[0120]
With the above operation, it is possible to shape and output an optical pulse waveform that is degraded and has a tail at the rising and falling edges of the pulse.
[0121]
The optical pulse waveform shaping device of the present embodiment has first to first5The vertical cavity surface emitting semiconductor laser device in the embodiment is basically used. Therefore, an optical pulse waveform shaping device can be formed by taking advantage of the features of the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device, such as low power consumption, low cost, and easy two-dimensional array.
[0122]
(13) No.10Embodiments (claims)10)
First of the present invention10In the optical transmission system according to the embodiment, the first to the first5Vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to any of the embodiments,6Optical logic unit of the embodiment,7Or second8Wavelength converter of the embodiment, or9The optical transmission system characterized by using the optical pulse waveform shaping device of the embodiment is used.
[0123]
As a result, a high-performance optical transmission system having optical information processing functions such as optical logic operation, wavelength conversion, optical pulse waveform shaping, and sequence separation can be configured. Since the basic element of a semiconductor light emitting device that performs optical information processing is a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device, a system can be constructed with low power consumption and low cost. Also, a two-dimensional array is possible, and the structure is suitable for optical parallel information processing.
[0124]
Next, it demonstrates more concretely using the detailed Example of this invention.
First, a reference example of the present invention will be described, and then an example will be described.
(referenceExample 1)
FIG. 1 illustrates the present invention.reference1 is a cross-sectional view of a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device having a modulation function according to Example 1. FIG.
[0125]
Referring to FIG. 1, an n-type lower distributed Bragg reflector (DBR) 602 is stacked on an n-
[0126]
A
[0127]
The band gap of the InGaAs well layer of the
[0128]
The
[0129]
A p-type
[0130]
A rectangular or cylindrical mesa structure is formed by etching from the surface of the laminated structure to between the
[0131]
The AlAs
[0132]
When a forward bias is applied to the p-
[0133]
The light generated in the
[0134]
In the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device of FIG. 1, a
[0135]
Here, light having a wavelength absorbed by the
[0136]
Thereby, since the absorption coefficient of the
[0137]
When the external input light is turned off again, the carriers photoexcited in the
[0138]
With the above operation, it is possible to control and modulate the intensity of the laser beam output from the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device by turning on / off the optical input signal from the outside.
[0139]
In the structure shown in FIG. 1, it is possible to form an electrode on the back surface of the n-
[0140]
(referenceExample 2)
FIG. 10 illustrates the present invention.reference6 is a sectional view of a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to Example 2. FIG.
[0141]
Referring to FIG. 10, an n-type lower GaAs / AlGaAs-
[0142]
In the
[0143]
The band gap of the InGaAs well layer of the
[0144]
The
[0145]
A rectangular or cylindrical first mesa structure is formed by etching from the surface of the laminated structure to between the
[0146]
A p-
[0147]
The AlAs
[0148]
Also in the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device of the second embodiment shown in FIG. 10, as in the first embodiment, the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device is turned on / off by turning on / off an optical input signal from the outside. It is possible to control and modulate the intensity of the laser beam output from. In Example 1, the transmission type is configured to input light from the back surface of the substrate and output light from the substrate surface. However, in Example 2, both input light and output light are input from the substrate surface. Reflective type to output.
[0149]
Furthermore, the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device shown in FIG. 10 is characterized in that a plurality of resonator modes are formed in the high reflection band of the DBR by increasing the cavity length. . In this embodiment, the optical thickness of the entire resonator structure is 10λ, and three resonator modes of 950.5 nm, 980 nm, and 1012 nm are formed.
[0150]
By making the band gap wavelength of the
[0151]
Further, among the plurality of resonator modes, the input light wavelength is matched with the resonator mode 950.5 nm different from the oscillation wavelength 980 nm. As a result, light input to the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device can pass through the p-
[0152]
In this embodiment, the reflection type is used to input and output light from one surface of the element. However, since the input light wavelength and the output light wavelength are different, the signal separation between the input light and the output light is very high. Easy.
[0153]
(referenceExample 3)
FIG. 11 shows the present invention.reference6 is a sectional view of a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to Example 3. FIG.
[0154]
Referring to FIG. 11, a first n-type GaAs / AlGaAs
[0155]
A region where the GaAs
[0156]
The band gap of the InGaAs well layer of the
[0157]
A rectangular or cylindrical mesa structure is formed by etching from the surface of the laminated structure to the middle of the second n-type GaAs / AlGaAs
[0158]
Further, a portion of the n-
[0159]
The AlAs
[0160]
In the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device of FIG. 11, a
[0161]
Further, it is not necessary to limit the input light wavelength to a wavelength that matches the resonator mode. Therefore, the wavelength range used as input light can be increased, and the system configuration is less restricted. In addition, it can be stably operated against fluctuations in the wavelength of the input light.
[0162]
the abovereferenceIn the example, the distance between the
[0163]
By reducing the DBR period between the
[0164]
Next, wavelength conversion operation using the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device of FIG. 11 will be described.
In the element of FIG.referenceAs in Example 1, the laser output light intensity can be modulated by turning on / off the input light intensity. Therefore, a digital signal based on the intensity modulation of the input light can be converted into a digital signal based on the intensity of the output light as it is.
[0165]
Both the wavelength of the input light and the wavelength of the output light need to be the same or shorter than the band gap wavelength of the
[0166]
On the other hand, since the input light is coupled to the
[0167]
When light having a wavelength of 950 nm is used as the input light wavelength, the input light is shorter than the band gap wavelength of the
[0168]
Even when light having a wavelength of 1020 nm is used as the input light wavelength, the input light is shorter than the band gap wavelength of the
[0169]
That is, using the same element, wavelength conversion from a short wavelength to a long wavelength and conversion from a long wavelength to a short wavelength are possible. Therefore, wavelength conversion processing in wavelength division multiplex communication can be easily performed.
[0170]
Next, examples of the present invention will be described.
(Example1)
FIG. 12 shows an embodiment of the present invention.11 is a cross-sectional view of a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to FIG.
[0171]
Referring to FIG. 12, an n-type GaAs / AlGaAs
[0172]
A cylindrical mesa structure is formed by etching from the surface of the laminated structure until it reaches the n-type GaAs / AlGaAs
[0173]
Further, as a feature of the element of FIG. 12, a GaInNAs / GaAs-MQW
[0174]
In addition, the AlAs
[0175]
In the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device of FIG. 12, a
[0176]
On the other hand, when light having a wavelength that is absorbed by the
[0177]
Therefore, by setting the injection current value of the active layer to oscillate in the fundamental transverse mode when there is no external input light, and to oscillate in the high-order transverse mode when external input light is input, It becomes possible to modulate the transverse mode of the laser oscillation light with light.
[0178]
An example of the radiation distribution of the output light in the vertical cavity surface emitting laser device is shown in FIG. In the case of the basic transverse mode, the light intensity is highest in the direction perpendicular to the substrate. On the other hand, in the high-order (primary) mode, the intensity is small in the direction perpendicular to the substrate, and the light intensity is high in the direction inclined by 10 to 15 degrees. Therefore, when the light output from the element of FIG. 12 is detected from the vertical direction or the oblique direction, the light intensity is modulated by the transverse mode.
[0179]
In this case, when the light output from the element of FIG. 12 is detected from the direction perpendicular to the substrate, the output code is inverted with respect to the input code and output. On the other hand, when detected from an oblique direction with respect to the substrate, it is output as it is without being inverted.
[0180]
In this embodiment, GaInNAs is used as the well layer material of the
[0181]
Thereby, an active layer having a long wavelength band of 1.2 μm to 1.6 μm can be formed on the GaAs substrate. Therefore, a semiconductor light emitting device suitable for the wavelength band used in optical communication can be configured. In this embodiment, the output light wavelength is 1.3 μm.
[0182]
Further, by using a GaAs substrate, a high-performance DBR composed of a GaAs / AlGaAs material system can be used. Therefore, the characteristics of the vertical cavity surface emitting laser that is the basis of the configuration of the present invention are improved. That is, a long-wavelength surface emitting laser with low power consumption and good temperature characteristics can be manufactured.
[0183]
In this embodiment, GaInNAs is also used for the well layer material of the
[0184]
(Example2)
FIG. 13 shows an embodiment of the present invention.2It is sectional drawing of the semiconductor light-emitting device based on.
Referring to FIG. 13, a p-type GaAs / AlGaAs
[0185]
An AlAs
[0186]
A cylindrical mesa structure is formed by etching from the surface of the laminated structure until reaching the n-type GaAs / AlGaAs
[0187]
Further, a GaInNAs / GaAs-MQW
[0188]
[0189]
Also, the AlAs layers 606 and 1505 are selectively oxidized from the side surfaces to form an
[0190]
In the semiconductor light emitting device of FIG. 13, by applying a forward bias between the
[0191]
The light emitted from the
[0192]
Further, the
[0193]
When an electric field is applied to the
[0194]
When no bias is applied to the
[0195]
On the other hand, when a reverse bias is applied to the
[0196]
The method of applying and modulating an electric field to an electroabsorption optical modulator composed of the
[0197]
As the
[0198]
In FIG. 13, another
[0199]
On the other hand, when light having a wavelength that is absorbed by the
[0200]
Therefore, by setting the injection current value of the active layer to oscillate in the fundamental transverse mode when there is no external input light, and to oscillate in the high-order transverse mode when external input light is input, It becomes possible to modulate the transverse mode of the laser oscillation light with light.
[0201]
With the above structure, the semiconductor light emitting device in FIG. 13 modulates the output light intensity by the electric field applied to the
[0202]
The current value injected into the
[0203]
(Example3)
FIG. 14 shows an embodiment of the present invention.3It is sectional drawing of the semiconductor light-emitting device based on.
Referring to FIG. 14, first lower distributed Bragg reflectors (DBR) 1701 and 1703 are stacked on an n-
[0204]
On the
[0205]
Further, an
[0206]
A mesa structure is formed by etching from the surface of the laminated structure until reaching the
[0207]
The AlAs
[0208]
When a forward bias is applied to the p-
[0209]
In the element of FIG. 14, a
[0210]
As a result, the threshold current is lower than when light is not injected from the outside. Therefore, the intensity of the laser beam output from the surface emitting semiconductor laser can be modulated by an optical input signal from the outside. At this time, the wavelength conversion operation can be realized by setting the input light wavelength to a wavelength different from the output light wavelength.
[0211]
Further, an
[0212]
Thereby, a wavelength conversion element capable of sweeping the output light wavelength can be realized. The distance between the
[0213]
FIG. 15 shows an example of an optical switching device configured using the wavelength conversion element of FIG.
[0214]
In FIG. 15, optical signals of wavelengths λ 1, λ 2, λ 3, and λ 4 input from an
[0215]
FIG. 15 shows an operation of converting λ1 to λ4, λ2 to λ3, λ3 to λ2, and λ4 to λ1 as an example. However, each wavelength conversion element can output at any wavelength of wavelengths λ1 to λ4, and the combination of output wavelengths can be switched freely.
[0216]
In FIG. 15, a single optical fiber is transmitted with an optical signal having four wavelengths, and a wavelength division multiplexing transmission system is used. For example, four wavelengths of 1290 nm, 1295 nm, 1300 nm, and 1305 nm were used as the wavelengths from λ1 to λ4.
[0217]
By making the band gap wavelength of the
[0218]
Therefore, by using the wavelength conversion element shown in FIG. 14, it is possible to input arbitrary light of wavelengths λ1 to λ4, convert it to arbitrary light of wavelengths λ1 to λ4, and output it with the same element structure. . Therefore, it is possible to monolithically integrate four wavelength conversion elements. Thereby, the size of the wavelength converter can be reduced.
[0219]
(Example4)
FIG. 16 shows an embodiment of the present invention.41 is a cross-sectional view of a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to FIG.
[0220]
The configuration of the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device shown in FIG. 16 is similar to the configuration shown in FIG. The difference from the configuration of FIG. 11 is that the
[0221]
Further, the
[0222]
In a quantum well structure with a well width of 4.6 nm, the energy difference between the ground level (0th order) and the third level of the quantum level formed in the conduction band is about 950 meV, which corresponds to a wavelength of 1.3 μm. . By using absorption between subbands in this conduction band, light of 1.3 μm can be absorbed.
[0223]
Ga0.9In0.1N0.02As0.98The band gap wavelength of the well layer is about 1.23 μm, which is shorter than 1.3 μm. Therefore, there is almost no interband absorption between the conduction band and the valence electrons.
[0224]
By using intersubband absorption within the conduction band as the absorption process of the
[0225]
In the
[0226]
In the above embodiments, the description has been made using an example in which an n-type GaAs substrate is used as the substrate. However, a p-type or (semi) insulating substrate can be used as the conductivity type of the substrate. In addition to GaAs, various single crystal substrates such as GaP, InP, GaSb, InAs, GaN, sapphire, SiC, ZnO, and Si can be used.
[0227]
In addition to the AlGaAs system, an InGaAsP system, an AlGaInP system, an AlGaInAs system, an AlGaN system, or the like can be used as a semiconductor material constituting the DBR. Alternatively, a dielectric multilayer film can be used for the upper DBR structure.
[0228]
In addition, the light absorption layer is not limited to a single layer, and a plurality of light absorption layers may be provided in the element. In addition, the wavelength of the output light can be changed by providing a wavelength sweeping mechanism in the vertical cavity surface emitting semiconductor laser element.
[0229]
(Example5)
FIG. 17 shows an embodiment of the present invention.5It is sectional drawing of the semiconductor light-emitting device based on.
[0230]
Referring to FIG. 17, lower distributed Bragg reflectors (DBR) 1601, 1603, and 1605 are stacked on an n-
[0231]
On the
[0232]
A rectangular or cylindrical mesa structure is formed by etching from the surface of the laminated structure to the middle of the
[0233]
When a forward bias is applied to the p-
[0234]
The
[0235]
The
[0236]
Next, the operation of the semiconductor light emitting device of FIG. 17 will be described.
The eighth embodiment operates as an optical logic operation element that inputs two input lights A and B to the element and obtains the logical operation result as output light.
[0237]
The input light A is 0.98 μm, which is the same as the output light wavelength, and is input to the element from the back surface of the substrate. On the other hand, the input light B has a wavelength of 1.05 μm and is input from the window portion of the
[0238]
Since the input light A is phase-matched with the resonator mode of the element, it is coupled and absorbed by the
[0239]
The wavelength of the input light B is longer than the band gap wavelength of the
[0240]
When the input lights A and B from the outside are input simultaneously, the absorption coefficients of the
[0241]
On the other hand, when there is no external input light or only one is input, the injection current of the active layer is controlled so as not to cause laser oscillation due to absorption loss due to the light absorption layer. As a result, it is possible to output light corresponding to the logical operation of AND for the two input optical signals A and B.
[0242]
In addition, the injection current of the active layer can be set so that laser oscillation occurs when one or both of the external input lights A and B are input and laser oscillation does not occur when there is no external input light. In this case, it is possible to output light corresponding to an OR logical operation for two input optical signals.
[0243]
(Example6)
FIG. 18 shows an embodiment of the present invention.6It is a block diagram of the wavelength converter which concerns on.
In FIG. 18,
[0244]
In FIG. 18, a single mode silica
[0245]
Here, after being converted from an optical signal having a wavelength of 1.3 μm to 0.85 μm, it is output to the multimode quartz
[0246]
On the other hand, an input signal from the multimode silica
[0247]
In the in-apparatus optical wiring having a relatively short wiring length, a multimode quartz
[0248]
The structure of the wavelength conversion element isreferenceThe semiconductor light emitting device of FIG. 1 shown in Example 1 has almost the same structure. In the
[0249]
The band gap wavelength of the light absorption layer is set to be equal to or longer than 1.3 μm so as to absorb the light of the active layer. When input light having a wavelength of 0.85 μm is incident on the light absorption layer, the absorption coefficient is saturated in the light absorption layer, so that the output light intensity of 1.3 μm can be modulated.
[0250]
In the layer where external light having a wavelength of 0.85 μm reaches the light absorption layer, the band gap of each laminated structure is made transparent to light having a wavelength of 0.85 μm. When external light is input from the substrate side, it is necessary to remove the GaAs substrate by etching to form an input window portion.
[0251]
In the
[0252]
When input light having a wavelength of 1.3 μm is incident on the light absorption layer, the absorption coefficient is saturated in the light absorption layer, so that the output light intensity of 0.85 μm can be modulated. When output light is emitted from the substrate side, it is necessary to remove the GaAs substrate by etching to form an output window portion.
[0253]
In the wavelength conversion apparatus of FIG. 18, the optical signal is converted into electricity once and then converted again without returning to the optical signal. Therefore, the apparatus configuration can be simplified. Further, since the delay time required for signal conversion is shortened, the signal transmission throughput can be improved.
[0254]
(Example7)
FIG. 19 shows an embodiment of the present invention.71 is a cross-sectional view of a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to FIG.
[0255]
Referring to FIG. 19, an n-type lower GaAs / AlGaAs-
[0256]
A rectangular or cylindrical first mesa structure is formed by etching from the surface of the laminated structure to the middle of the second p-type upper GaAs / AlGaAs-
[0257]
A p-
[0258]
The AlAs
[0259]
When a forward bias is applied to the p-
[0260]
The bottom surface exposed by the etching of the first mesa structure is a
[0261]
Thereby, the coupling efficiency between the
[0262]
Next, an optical pulse waveform shaping operation using the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device of FIG. 19 will be described.
[0263]
Two types of light, clock light and signal light, are used as light input to the element from the outside. Consider a case where the pulse shape of signal light is degraded rather than rectangular due to the influence of dispersion caused by optical transmission. On the other hand, the clock light is a rectangular pulse and determines the timing of data extraction. In FIG. 19, the clock light is input light 1 and the signal light is input light 2.
[0264]
When the clock light and the signal light are input at the same time, the intensity of the input light input to the
[0265]
Then, in the portion where the clock light and the signal light overlap, the vertical cavity surface emitting laser is in an oscillation state, and in the portion where the clock light does not overlap, the vertical cavity surface emitting laser is in an oscillation stop state. Pth).
[0266]
As a result, the input intensity is lower than Pth at the rising and falling portions of the signal light, so that the output intensity remains low, and output light having a pulse width corresponding to the pulse width of the clock light is obtained.
[0267]
Further, by setting the light intensity of the clock light to be lower than Pth, the output light intensity of the vertical cavity surface emitting laser device can be kept low in the case of only the clock light to which no signal light is input. Thereby, the on / off information of the signal light is directly inherited by the output light.
[0268]
By using the optical pulse waveform shaping device described above as a relay device of an optical transmission system, an optical signal deteriorated by optical fiber transmission can be amplified and shaped and output, so that the transmission distance can be extended. In addition, since the optical pulse waveform shaping device is composed of a vertical cavity surface emitting laser device, the manufacturing cost of the device can be reduced.
[0269]
(Example8)
20 uses the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device (wavelength conversion element) shown in FIG. 1, FIG. 10, FIG. 11, FIG. 12, FIG. It is an example of an optical transmission module.
[0270]
In FIG. 20, 1201 is an input optical fiber array, 1202 is a wavelength conversion element, 1203 is a multiplexer, and 1204 is an output optical fiber.
[0271]
The parallel optical signals (wavelength λ0) input from the
[0272]
(Example9)
21 uses the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device (wavelength conversion element) shown in FIGS. 1, 10, 11, 12, 13, 13, 14, 16, 17, and 19. FIG. 3 shows another configuration example of the optical transmission module.
[0273]
In FIG. 21, a parallel optical signal (wavelength λ 0) input from an
[0274]
Here, a transmissive element structure was used as the wavelength conversion element. The wavelength-converted optical signals are combined into one by the surface
[0275]
【The invention's effect】
The present invention has the following effects. Hereinafter, the effect will be described for each claim.
[0279]
aClaim1According to the described invention, since the transverse mode of the laser oscillation light is modulated by the external input light intensity, it is possible to form an inverted signal and to perform an optical branching operation that separates one series of optical signals into two series. .
[0280]
bClaim2According to the described invention, the substrate includes a resonator including an active layer, a distributed Bragg reflector formed above and below the resonator, and a light absorption layer that absorbs light of the active layer, and is perpendicular to the substrate. A surface-type semiconductor light emitting device that outputs laser oscillation light in the direction and an electroabsorption optical modulator are monolithically integrated in a direction perpendicular to the substrate, so that the transverse mode of the laser oscillation light can be modulated by the external input light intensity. As a result, it is possible to realize an optical branching operation that separates a serial optical signal having a high modulation frequency of 10 to 50 GHz into two series.
[0281]
c)Claim3According to the described invention, claim 1Or 2In the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device described in 1), the output light wavelength can be changed with respect to various input light wavelengths by the same element and output by having a mechanism for sweeping the output light wavelength. Thereby, a wavelength conversion switch between signals in the wavelength division multiplex transmission system can be easily configured.
[0282]
dClaim4According to the described invention, from claim 13In the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to any one of the above, by using intersubband absorption for the light absorption of the light absorption layer, the absorption recovery time from the absorption saturation can be shortened, Light modulation can be performed at higher speed.
[0283]
eClaim5According to the described invention, from claim 14In the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to any one of the above, by using a mixed crystal semiconductor containing nitrogen and another group V element as the material of the light absorption layer and / or the active layer, A long-wavelength vertical cavity surface emitting semiconductor laser device suitable for a wavelength used in optical communication can be configured with high performance.
[0284]
In addition, by using a mixed crystal semiconductor containing nitrogen and another group V element for the light absorption layer, the carrier relaxation time can be shortened and light can be modulated at higher speed.
[0285]
In addition, if a mixed crystal semiconductor containing nitrogen and other group V elements is used for the well layer, the conduction band discontinuity can be expanded, and a light absorption layer using intersubband absorption in the conduction band is constructed. It is also possible to do.
[0286]
f)Claim6According to the described invention, from claim 15By configuring the optical logic operation device using the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to any one of the above, by controlling the current value injected into the active layer, both the AND operation and the OR operation are performed. It is possible to realize an optical logic operation element that can realize the above.
[0287]
g) Claim7According to the described invention, from claim 15By using the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to any one of the above, a wavelength conversion device capable of not only wavelength conversion from a short wavelength to a long wavelength but also a conversion from a long wavelength to a short wavelength Can be configured easily.
[0288]
h)Claim8According to the described invention, the claims7In the described invention, an optical transmission system between a relatively long-distance LAN or equipment using a single-mode quartz optical fiber by converting the wavelength of an optical signal having a wavelength of 0.85 μm and an optical signal having a wavelength of 1.3 μm. It is possible to connect an optical transmission system in a device using a multimode quartz optical fiber with high transmission throughput.
[0289]
iClaim9According to the described invention, from claim 15By using the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to any one of the above, an optical pulse waveform shaping device with low power consumption, low cost, and easy two-dimensional array can be formed.
[0290]
jClaim10According to the described invention, from claim 15The vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to claim 1,6Claims optical logic operation device, claim7Or8The wavelength converter according to claim 1 or claim9By using the described optical pulse waveform shaping device, a high-performance optical transmission system having an optical information processing function such as sequence separation can be configured.
[0291]
Further, since the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device is used as a basic element, a system can be constructed with low power consumption and low cost. A two-dimensional array is also possible.
[Brief description of the drawings]
[Figure 1]reference1 is a cross-sectional view of a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to Example 1. FIG.
FIG. 2 is a diagram for explaining an optical modulation operation.
FIG. 3 is a diagram showing a reflection spectrum of a vertical cavity surface emitting semiconductor laser including a long cavity.
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a transverse mode and a light radiation distribution.
FIG. 5 is a configuration diagram of a transverse mode light modulator.
FIG. 6 is a diagram for explaining a pulse inversion operation.
FIG. 7 is a diagram for explaining a pulse sequence separation operation;
FIG. 8 is a diagram for explaining a relationship between an absorption coefficient of a light absorption layer and input light and output light wavelengths.
FIG. 9 is a diagram for explaining an operation of optical pulse waveform shaping.
FIG. 10reference6 is a sectional view of a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to Example 2. FIG.
FIG. 11reference6 is a sectional view of a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to Example 3. FIG.
FIG. 12 Example11 is a cross-sectional view of a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to FIG.
FIG. 13 Example21 is a cross-sectional view of a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to FIG.
FIG. 14 Example31 is a cross-sectional view of a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to FIG.
15 is a configuration diagram of an optical switching apparatus according to Embodiment 6. FIG.
FIG. 16 Example41 is a cross-sectional view of a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to FIG.
FIG. 17 Example51 is a cross-sectional view of a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to FIG.
FIG. 18 Example6It is a block diagram of the wavelength converter which concerns on.
FIG. 19 Example71 is a cross-sectional view of a vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to FIG.
FIG. 20 Example8It is a structural example of the optical transmission module which concerns on this.
FIG. 21 Example9It is another structural example of the optical transmission module which concerns on this.
[Explanation of symbols]
601: n-type GaAs substrate
602: n-type GaAs / AlGaAsDBR
603: Resonator structure
604: InGaAs / GaAs-MQW light absorption layer
605: InGaAs / GaAs-MQW active layer
606: AlAs layer
607: selectively oxidized insulating region
608: p-type GaAs / AlGaAsDBR
609: p-side electrode
610: n-side electrode
801: First n-type DBR
802: Second n-type DBR
803: Lower spacer layer
804: Upper spacer layer
805: Input window
901: First p-type DBR
902: Second p-type DBR
1001: GaInNAs / GaAs-MQW active layer
1002: GaInNAs / GaAs-MQW light absorption layer
1101: GaInNAs / AlAs-MQW light absorption layer
1201: Optical fiber array
1202: Wavelength conversion element
1203: Optical multiplexer
1204: Optical fiber
1301: Microlens array
1302: Optical multiplexer
1303: Condensing lens
1401: Substrate
1402: Single mode silica optical fiber
1403: Multimode silica optical fiber
1404: Wavelength conversion element A
1405: Wavelength conversion element B
1406: Optical multiplexer
1501: p-type GaAs substrate
1502: p-type GaAs / AlGaAs DBR
1503: Light absorption layer
1504: n-type GaAs / AlGaAsDBR
1505: AlAs layer
1506: n-side electrode
1507: Back electrode
1601: first lower DBR
1602: First light absorption layer
1603: second lower DBR
1604: Second light absorption layer
1605: Third lower DBR
1701: first lower DBR
1702:
1703: Second lower DBR
1704: n-type GaAs spacer layer
1705: p-type GaAs spacer layer
1706: p-type GaAs spacer layer
1707: Air gap
1708: Resonator
1709: Upper DBR
1710: p-side electrode
1711: n-side electrode
1801: Quartz optical fiber
1802: Wavelength demultiplexer
1803: Wavelength conversion element
1804: multiplexer
Claims (10)
前記レーザ発振光の基本横モードと1次の高次モードとを外部入力光強度によって変調することを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。The substrate includes a resonator including an active layer, a distributed Bragg reflector formed above and below the resonator, and a light absorption layer that absorbs light from the active layer, and outputs laser oscillation light in a direction perpendicular to the substrate. In the vertical cavity surface emitting semiconductor laser device,
Vertical cavity surface emitting semiconductor laser device characterized by modulating the fundamental transverse mode and first-order high-order mode of the laser oscillation light by the external input light intensity.
出力光波長を掃引する機構をさらに有することを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。The vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to claim 1 or 2 ,
A vertical cavity surface emitting semiconductor laser device further comprising a mechanism for sweeping an output light wavelength.
前記光吸収層の光吸収にサブバンド間吸収を用いたことを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。The vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 3 ,
A vertical cavity surface emitting semiconductor laser device using intersubband absorption for light absorption of the light absorption layer.
前記光吸収層および/または前記活性層の材料として、窒素と他のV族元素とを含む混晶半導体を用いたことを特徴とする垂直共振器型面発光半導体レーザ装置。The vertical cavity surface emitting semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 4 ,
A vertical cavity surface emitting semiconductor laser device using a mixed crystal semiconductor containing nitrogen and another group V element as a material for the light absorption layer and / or the active layer.
波長0.85μm帯の光信号と波長1.3μm帯の光信号とを変換することを特徴とする波長変換装置。In the wavelength converter of Claim 7 ,
A wavelength conversion device that converts an optical signal of a wavelength of 0.85 μm and an optical signal of a wavelength of 1.3 μm.
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