JP4648647B2 - Tunable semiconductor laser - Google Patents
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Description
本発明は、波長多重大容量通信を支えるための重要な光部品である波長可変半導体レーザに関する。 The present invention relates to a wavelength tunable semiconductor laser which is an important optical component for supporting wavelength division multiplexing large capacity communication.
近年、インターネットにおける爆発的なトラフィックの増大に対応するため、各ノード間を結ぶ伝送には、波長多重を用いてノード間の伝送容量を増加させている。波長可変レーザはこのような波長多重伝送には欠かすことのできない重要な部品である。 In recent years, in order to cope with explosive traffic increase on the Internet, the transmission capacity between nodes is increased by using wavelength multiplexing for transmission between the nodes. The wavelength tunable laser is an important component indispensable for such wavelength division multiplexing transmission.
このような状況の中で、非特許文献1または非特許文献2で示されるように、グレーティング・アシステッド・コディレクショナル・カプラ(Grating Assisted Co-directional Coupler:GACC、日本語訳:グレーティングをもつ同方向性光結合器)を用いた波長可変レーザ(GACC−SG−LD)が提案されている。
In such a situation, as shown in
このGACC型波長可変レーザ(GACC−SG−LD)は、図16に示すように、利得領域1610、GACC領域1620、位相調整領域1630、および超周期構造分布反射器領域(Sampled Grating :SGまたはSuper-Structure Grating :SSG)1640から構成されている。各領域には、それぞれバイアス電流Ia,Ig,Ip,Irが入力される。なお、図16において、(A)はGACC−SG−LDの光伝搬方向に沿う縦断面図、(B)はその利得領域1610の横断面図、(C)はそのGACC領域1620および位相調整領域1630の横断面図、(D)はその超周期構造分布反射器領域1640の横断面図である。
As shown in FIG. 16, the GACC type tunable laser (GACC-SG-LD) includes a
上記のGACC領域1620は、一方の導波路1625から入力された光のうちで、特定の波長のみを他方の導波路1623に結合させる機能をもち、さらに導波路1623の屈折率を変化させることにより、波長可変領域すべてで動作可能な大きな波長可変範囲をもつ波長可変フィルタとして機能する。また上記SG領域1640は、一定周波数間隔(free spectral range:FSR)で反射強度が大きくなる特長をもつ反射型グレーティング(回折格子)である。従って、GACC−SG−LDの発振波長の制御には、大きな波長可変範囲をもつGACC領域1620での粗調整、およびSG領域1640と位相調整領域1630における微調整で行われる。
The GACC
しかしながら、図16に示すような従来のGACC−SG−LDでは、異なる半導体組成および構造の層を面内の各領域に幾層も形成しなければならず、そのためその作製には有機金属気相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition :MOCVD)等による再成長工程を5回以上繰り返さなければならない。また、上記のSGまたはSSGの形成には、多くの工程時間が必要とされる電子線描画(Electron Beam Lithography)の工程が必須となる。その結果、必然的に従来のGACC−SG−LDおよびそのモジュールは、製造コストが高くならざるを得ない状況にあった。 However, in the conventional GACC-SG-LD as shown in FIG. 16, it is necessary to form several layers having different semiconductor compositions and structures in each region in the plane. The regrowth process by a growth method (Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD) or the like must be repeated five times or more. Also, the formation of the SG or SSG requires an electron beam lithography process that requires a lot of process time. As a result, the conventional GACC-SG-LD and its module are inevitably in a situation where the manufacturing cost is inevitably high.
さらに、GACC−SG−LDを用いて、例えば100GHz間隔の任意波長が出力可能で、波長可変幅100nmの波長可変レーザを実現する場合には、上記のSG領域1640は、図17に示すように、周期約240nm、長さ5μmのグレーティング領域1642をもつ長さ400μmの単位ユニット1644を光の導波方向に多数個直列接続する構造を必要とし、そのため必然的に全素子長が長くならざるを得ない。その結果、縦モード間隔が狭くなり、レーザ発振が不安定となる。そこで、GACC領域1620およびSG領域1640に加え、位相調整領域1630の屈折率を制御することが必要になる。この屈折率制御のため、具体的には、図16において、Ig,Ir、およびIpという3つの電流を制御し、かつ発振用のバイアス電流Iaを利得領域に加えるため、発振波長の制御が複雑になる、かつ長期使用に伴う劣化による波長変動等が生じるという点があった。
Furthermore, in the case of realizing a wavelength tunable laser having a wavelength tunable width of 100 nm, for example, an arbitrary wavelength of 100 GHz interval can be output using the GACC-SG-LD, the
本発明は、このような従来技術の状況に鑑みてなされたのもので、その目的は、簡単な制御方法により、かつ簡便な作製方法により、一定周波数間隔の任意の波長を安定出力可能な波長可変レーザを実現することにある。 The present invention has been made in view of such a state of the art, and an object of the present invention is to provide a wavelength tunable laser capable of stably outputting arbitrary wavelengths at a constant frequency interval by a simple control method and a simple manufacturing method. Is to realize.
上記目的を達成するため、本発明の波長可変半導体レーザは、利得媒質をもつ光導波路の利得領域と、前記利得領域の出力側に接続して互いに異なる屈折率を有する2つ以上の導波路を備え、かつそれらの導波路のうちで1つ以上の導波路にグレーティング(回折格子)を形成させた構造を有する同方向性光結合器型の波長フィルタと、前記波長フィルタの前記2つ以上の導波路のうちで少なくとも1つの導波路の屈折率を変化させることにより、該波長フィルタの発振波長を一定周波数間隔で可変にする屈折率制御手段と、前記波長フィルタの出力側に接続して一定周波数間隔で透過率の変化する波長ロック用フィルタとを共通の半導体基板上に具備し、前記波長ロック用フィルタは、前記波長フィルタの前記2つ以上の導波路のうちの少なくとも1つの導波路と等しい導波路構造を備え、前記波長フィルタは、前記2つ以上の導波路のうちで1つ以上の導波路の側壁にグレーティングを形成させた構造を備えるとともに、前記2つ以上の導波路のうちでいずれか1つの導波路のコア層を前記利得領域の利得媒質とし、残りの導波路のうちで1つの導波路の屈折率を前記屈折率制御手段により変化させることにより、該波長フィルタの発振波長を一定周波数間隔で可変にすることを特徴とする。
すなわち、本発明では、GACC型波長フィルタにおいて、一方の光導波路のコア層を利得媒質にすることにより、レーザ共振器内に別途利得媒質を形成することなしに、つまり再成長工程を必要とせずに波長可変半導体レーザを実現することを可能としている。また、本発明では、GACC領域作製のための再成長工程を省略するために、従来のGACC−SG−LDのように面内にグレーティングを形成するのではなく、光導波路の側壁にグレーティングを形成することとし、導波路構造の作製工程時にそれを一括形成できる。
In order to achieve the above object, a wavelength tunable semiconductor laser according to the present invention includes a gain region of an optical waveguide having a gain medium and two or more waveguides having different refractive indexes connected to the output side of the gain region. A wavelength filter of a directional optical coupler type having a structure in which a grating (diffraction grating) is formed in one or more of the waveguides, and the two or more of the wavelength filters. By changing the refractive index of at least one waveguide among the waveguides, the oscillation wavelength of the wavelength filter can be varied at a constant frequency interval, and connected to the output side of the wavelength filter to be constant. ; and a wavelength locking filter to change in transmittance at the frequency intervals on a common semiconductor substrate, wherein the wavelength locking filter is small among the two or more waveguides of said wavelength filter A waveguide structure equal to at least one waveguide, and the wavelength filter includes a structure in which a grating is formed on a sidewall of one or more of the two or more waveguides; The core layer of any one of the two or more waveguides is used as the gain medium in the gain region, and the refractive index of one of the remaining waveguides is changed by the refractive index control means. Thus, the oscillation wavelength of the wavelength filter is made variable at a constant frequency interval .
That is, in the present invention, in the GACC type wavelength filter, by using the core layer of one optical waveguide as a gain medium, a separate gain medium is not formed in the laser resonator, that is, no regrowth process is required. In addition, it is possible to realize a wavelength tunable semiconductor laser. Further, in the present invention, in order to omit the regrowth process for manufacturing the GACC region, the grating is not formed in the plane as in the conventional GACC-SG-LD, but is formed on the side wall of the optical waveguide. As a result, it can be formed in a lump during the waveguide structure fabrication process.
ここで、前記波長ロック用フィルタとして、一定周波数間隔で透過強度が大きくなる特徴を持つリング共振器あるいはマッハツェンダー干渉計を用いたことを特徴とすることができる。すなわち、本発明では、従来のGACC−SG−LDで行われているようなSGやSSGを用いるのではなく、一定のFSRで透過強度が大きくなる特徴を持つリング共振器あるいはマッハツェンダー干渉計を波長ロック用フィルタとして用いている。リング共振器あるいはマッハツェンダー干渉計は、より一般的に用いられるフォトリソグラフィーとドライエッチングの工程で容易に作製できるので、SGの作製には不可欠な電子線描画の工程やMOCVD等による再成長の工程を省くことができる。さらに、リング共振器あるいはマッハツェンダー干渉計は、その構造上、SGやSSGに比べて素子長を十分小さく実現できるので、100GHzという比較的小さな周波数間隔において任意波長を安定に出力可能な波長可変レーザが実現できる。 Here, as the wavelength locking filter, a ring resonator or a Mach-Zehnder interferometer having a characteristic that transmission intensity increases at a constant frequency interval can be used. That is, in the present invention, a ring resonator or a Mach-Zehnder interferometer having a characteristic that the transmission intensity increases with a constant FSR is used instead of using SG or SSG as in the conventional GACC-SG-LD. Used as a wavelength lock filter. A ring resonator or a Mach-Zehnder interferometer can be easily manufactured by a more commonly used photolithography and dry etching process. Therefore, an electron beam drawing process, which is indispensable for SG manufacturing, and a regrowth process by MOCVD or the like. Can be omitted. Furthermore, the ring resonator or the Mach-Zehnder interferometer can realize an element length sufficiently smaller than that of SG or SSG because of its structure. Therefore, a wavelength tunable laser capable of stably outputting an arbitrary wavelength at a relatively small frequency interval of 100 GHz. Can be realized.
また、前記波長フィルタは、前記2つ以上の導波路を垂直方向に積層させた構造を有することを特徴とすることができる。 The wavelength filter may have a structure in which the two or more waveguides are stacked in a vertical direction .
また、前記波長フィルタは、前記2つ以上の導波路を面内方向に並列に配置した構造を有することを特徴とすることができる。 The wavelength filter may have a structure in which the two or more waveguides are arranged in parallel in an in-plane direction .
また、位相調整領域を備え、該位相調整領域を介して前記波長フィルタの発振波長を微調整可能とすることを特徴とすることができる。すなわち、本発明では、位相調整用の導波路をレーザ共振器内に設けることにより、縦モード間隔を微調し、正確に所望の周波数間隔で波長可変動作を可能としている。 Further, a phase adjustment region is provided, and the oscillation wavelength of the wavelength filter can be finely adjusted through the phase adjustment region. That is, in the present invention, by providing a phase adjusting waveguide in the laser resonator, the longitudinal mode interval is finely adjusted, and the wavelength variable operation can be accurately performed at a desired frequency interval.
また、前記位相調整領域の屈折率を変化させる屈折率制御手段をさらに有することを特徴とすることができる。また、前記発振波長ロック用フィルタの屈折率を変化させる屈折率制御手段をさらに有することを特徴とすることができる。すなわち、本発明では、波長ロック用フィルタおよび/または位相調整領域の屈折率を変化させ共振波長を変化させることにより、波長可変レーザの離散的な発振波長の間の波長で制御可能となり擬似連続チューニング動作が実現できる。 Further, it may further include a refractive index control means for changing a refractive index of the phase adjustment region. Further, it may further include a refractive index control means for changing a refractive index of the oscillation wavelength locking filter. That is, according to the present invention, the wavelength can be controlled at a wavelength between the discrete oscillation wavelengths of the wavelength tunable laser by changing the resonance wavelength by changing the refractive index of the wavelength lock filter and / or the phase adjustment region. Operation can be realized.
また、前記波長可変半導体レーザの半導体素子のへき開面を反射用ミラーとして用いることで、あるいは該へき開面に高反射膜を形成して該高反射膜を反射用ミラーとして用いることで、帰還機能をもたせたことを特徴とすることができる。すなわち、本発明では、レーザの端面の反射を用いて帰還機能を持たせ、レーザ発振を可能にしている。 In addition, by using the cleavage surface of the semiconductor element of the wavelength tunable semiconductor laser as a reflection mirror, or by forming a high reflection film on the cleavage surface and using the high reflection film as a reflection mirror, a feedback function is achieved. It can be characterized as having been added. That is, in the present invention, a laser is oscillated by providing a feedback function using reflection of the end face of the laser.
また、前記波長フィルタ、前記波長ロック用フィルタ、および前記利得領域の組が、光結合器を含むリング共振器の構成となっていることを特徴とすることができる。すなわち、本発明では、レーザ全体をリング構造にすることにより端面の反射を用いることなく発振可能とさせている。 The set of the wavelength filter, the wavelength locking filter, and the gain region may be a ring resonator including an optical coupler. That is, in the present invention, the entire laser is made to have a ring structure so that it can oscillate without using reflection at the end face.
また、前記波長フィルタと前記利得領域以外の構成要素の一部の導波路をエッチングにより除去することで、前記波長フィルタにおける非選択光のレーザ発振に及ぼす影響が取り除かれた構造を有することを特徴とすることができる。すなわち、GACC型フィルタは、一方の導波路から入力された光のうち、特定の波長のみを他方の導波路に結合させる機能を持つが、選択されなかった波長の光は、入射導波路をそのまま伝搬し、レーザ発振に悪影響を与える。したがって、本発明では、導波路をエッチングにより除去し非選択光を放射することを可能にしている。また、前記エッチングにより除去した端面の角度が、該端面に露出した導波路と空気との境界面において非選択光が空気側に全透過するような角度に設定されていることを特徴とすることができる。 In addition, by removing a portion of the waveguide of the constituent elements other than the wavelength filter and the gain region by etching, it has a structure in which the influence on the laser oscillation of the non-selected light in the wavelength filter is removed. It can be. In other words, the GACC type filter has a function of coupling only a specific wavelength to the other waveguide among the light input from one waveguide, but the light of the wavelength not selected remains in the incident waveguide. Propagates and adversely affects laser oscillation. Therefore, in the present invention, the waveguide can be removed by etching and non-selective light can be emitted. Further, the angle of the end face removed by the etching is set such that non-selective light is totally transmitted to the air side at the interface between the waveguide exposed on the end face and air. Can do.
また、前記利得領域を吸収領域として用いることで、前記波長フィルタにおける非選択光のレーザ発振に及ぼす影響が取り除かれた構造を有することを特徴とすることができる。すなわち、本発明では、電流注入を行わない利得領域、すなわち吸収領域を意図的にレーザ共振器内に配置し、上記GACC型フィルタの非選択光を吸収することを可能としている。 In addition, by using the gain region as an absorption region, it is possible to have a structure in which the influence of the non-selected light on the laser oscillation in the wavelength filter is removed. That is, in the present invention, a gain region in which no current is injected, that is, an absorption region is intentionally arranged in the laser resonator, and the non-selective light of the GACC filter can be absorbed.
また、前記波長可変半導体レーザの出力端に光変調器、または受光素子、または半導体光増幅器のうちの少なくとも1つを集積したことを特徴とすることができる。すなわち、本発明では、光結合器の出力導波路に光変調器、受光素子、あるいはブースター用半導体光増幅器をモノリシック集積することが可能となり、様々な機能が実現可能となる。 Further, at least one of an optical modulator, a light receiving element, or a semiconductor optical amplifier is integrated at the output end of the wavelength tunable semiconductor laser. That is, according to the present invention, it is possible to monolithically integrate an optical modulator, a light receiving element, or a booster semiconductor optical amplifier in the output waveguide of the optical coupler, and various functions can be realized.
上記構成により、本発明によれば、制御の簡単な波長可変半導体レーザを低コストで実現可能となる。同時に、本発明によれば、大きな波長可変範囲が実現可能となる。また、本発明では、周波数間隔を決める波長ロック用フィルタが、GACC型波長フィルタおよび利得領域の電流変化による熱の影響を受けないため、急峻に発振波長を切り換えても波長が安定であるという大きな特徴がある。 With the above configuration, according to the present invention, a wavelength tunable semiconductor laser that is easy to control can be realized at low cost. At the same time, according to the present invention, a large wavelength variable range can be realized. In the present invention, the wavelength locking filter that determines the frequency interval is not affected by heat due to the GACC wavelength filter and the current change in the gain region, so that the wavelength is stable even when the oscillation wavelength is switched sharply. There are features.
以下に、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態における波長可変半導体レーザの概略構成を図1に示す。図1に示すように、本実施形態の波長可変半導体レーザ100は、利得媒質としての利得領域110と、GACC型波長フィルタ120と、波長ロック用フィルタとしてのリング共振器130とを主要構成部材として構成され、光学的にこの順に直列接続されている。また、140は後述の屈折率制御用電極、141は屈折率制御用電極140とGACC型波長フィルタ120とを接続する配線電線(リード線)、150は出力側導波路、160はリング共振器130と導波路150を結合する光結合器である。図1では、波長ロック用フィルタとしてリング共振器130を用いているが、これに代えて後述の第2の実施形態のようにマッハツェンダー干渉計を適用することもできる。
The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a schematic configuration of a wavelength tunable semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a wavelength
また、波長可変半導体レーザ100の素子は劈開(へき開)により形成された端面102を反射ミラーとしてレーザ共振器を構成している。さらに、GACC領域導波路とリング共振器導波路との間に存在し得る、スポットサイズの違いから生じる接続損失を無くすため、後述のように、GACC領域120もリング共振器130と全く等しい導波路構造をもつハイメサ導波路としている。また、例えば本発明で用いる周波数100GHz程度のFSRをもつリング共振器を半導体で実現する場合、リング共振器130の曲がり半径を約100μm程度にまで小さくしなければならない。したがって、本発明でリング共振器130を波長ロック用フィルタとして用いる場合には、導波路構造をコア層の下までエッチングされた、光閉じ込めの強いハイメサ構造とし、曲がり損失を大幅に低減できる構造としている。
Further, the element of the wavelength
図2に本実施形態の波長可変半導体レーザ素子の断面構造を示す。利得領域110、およびGACC型波長フィルタ120は、基板121垂直方向に2層の導波路123と125が積層されて構成されている。また、利得領域110の活性層115とGACC型波長フィルタ120の上部導波路コア層125とが接続されている。つまり、利得領域110により増幅された光は、GACC型波長フィルタ120の上部導波路コア層125に入射する。
FIG. 2 shows a cross-sectional structure of the wavelength tunable semiconductor laser device of this embodiment. The
本実施形態でのGACC型波長フィルタ120の構成部分は、図3に示すように、2つの導波路(下部導波路コア層と上部導波路コア層)123、125が垂直方向に積層され、かつそのハイメサ(high-mesa)導波路の両側壁に同一形状の周期Λのグレーティング(回折格子)170が左右対称に形成されている構造を備えている。即ち、このグレーティング170の凹凸の切れ込みの繰り返しが、フィルタの垂直方向ではなく、その側壁方向に形成されている。
As shown in FIG. 3, the component part of the GACC-
GACC型波長フィルタ120は次式(1)を満たすような周期Λのグレーティングを持つ方向性結合器であり、一方の導波路123または125から入力された光のうち、波長λの光を他方の導波路125または123に結合させる機能を持つ。
The GACC-
ここで、neq1、neq2はGACC型波長フィルタ120における2つの導波路123,125の等価屈折率である。この周期Λは、数十μmオーダーで実現可能であり、GACCの作製には、電子線描画等の高分解能リソグラフィーを必要とせずに、より一般的なフォトリソグラフィーで十分作製可能なことが特長である。
Here, n eq1 and n eq2 are the equivalent refractive indexes of the two
本実施形態では、導波路123,125の幅を1.5μm、グレーティング170の振幅Dgを50nm、導波路間隔Sを1.0μmとして作製したが、この各数値は、このフィルタの透過特性を決める重要なパラメータとなる。GACC型波長フィルタ120を実現するにあたり、本実施形態では下記の条件が満たされることが好ましい。
1)導波路123,125のコア層の高さ及び幅は、光が両導波路をシングルモードで伝搬する条件で、0.3μm〜2.0μmとする。
2)グレーティング170の振幅Dgは、透過特性を決定するものであって、0.01μm〜1.0μmとする。
3)導波路間隔Sは、透過特性を決定するものであって、0.5μm〜2.0μmとする。
In this embodiment, the
1) The height and width of the core layers of the
2) The amplitude Dg of the grating 170 determines the transmission characteristics, and is 0.01 μm to 1.0 μm.
3) The waveguide interval S determines transmission characteristics, and is 0.5 μm to 2.0 μm.
本実施形態では、上部導波路125に入射した光のうち、波長λの光が下部導波路123に結合され伝搬し、リング共振器130に入射する。それ以外の波長の光は上部導波路125をそのまま伝搬する。このとき、下部導波路123とリング共振器130の導波路との間に存在し得るスポットサイズの違いから生じる接続損失を無くすため、GACC型波長フィルタ120のGACC領域もリング共振器130と全く等しい導波路構造をもつハイメサ導波路としている。
In the present embodiment, of the light incident on the
また、本実施形態では、GACC領域作製のための再成長工程を省略するために、従来のように面内にグレーティングを形成するのではなく、上述のようにハイメサ光導波路の側壁にグレーティング170を形成することとし、GACC型波長フィルタ120およびリング共振器130をハイメサ構造の作製工程時に一括形成した。更に詳しく説明すると、本実施形態では、図2に示すように、共通のn−InP基板121上に、n−InP下部クラッド層122、n添加1.1Q組成InGaAsPコア層(下部光導波路コア層)123、n−InP中間層124、利得領域110の構成部分にはInGaAsP/InP MQW活性層115、これに連続してGACC型波長フィルタ120とリング共振器130の構成部分には1.4Q組成InGaAsPコア層(上部光導波路コア層)125、さらにp−InP上部クラッド層126、およびP+−InGaAs層127を、有機金属気相成長法(MOCVD)により順次成長させた。次に、フォトリソグラフィーとドライエッチングとにより、利得領域110と、図3に示すような側壁にグレーティング170を持つGACC型波長フィルタ120と、リング共振器130とを連続して含むハイメサ光導波路構造を一括形成した。
Further, in this embodiment, in order to omit the regrowth process for manufacturing the GACC region, the
さらに、GACC型波長フィルタ120には、屈折率制御用電極140が備えられており、屈折率制御用電極140を介して入力した電流が配線電線141を通じてGACC型波長フィルタ120の上部導波路125に入力されるようになっている。この構成は、GACC型波長フィルタ120は、波長可変領域のすべてで動作可能な大きな波長可変範囲をもつ波長フィルタであるので、屈折率制御用電極140を介して入力する電流値を変化させて、GACC型波長フィルタ120の上部導波路125の屈折率を変化させることにより、このGACC型波長フィルタ120を通過する光の透過ピーク波長を変化させるためである。
Further, the GACC
次に、計算で求めたGACC型波長フィルタ120とリング共振器130の部分の透過特性を図4に示す。リング共振器130はFSR100GHzに設定している。図中の実線が両方のフィルタを接続した時の透過特性であるが、波長1550nmで最も大きな透過率を得ることができ、その両側の透過率は2dB程小さくなっている。このようなフィルタ特性をレーザ共振器130の内部に持つため、図1に示した本実施形態では一つの波長のみでレーザ発振が得られる。よって、GACC型波長フィルタ120に備えられた屈折率制御用電極140を介してGACC型波長フィルタ120をチューニング(波長調整)すると、GACCの波長可変領域において、100GHz間隔でモードホッピングを繰り返しながらレーザ発振光の波長チューニングが可能となる。
Next, the transmission characteristics of the
本実施形態では、リング共振器130を波長ロック用フィルタとして用いたために、作製の容易さと光結合損失の低減からGACC型波長フィルタ120もハイメサ構造としているが、波長ロック用フィルタとしてマッハツェンダー干渉計(図示しない)を用いた場合には、その導波路構造はハイメサ構造をとる必要が無いために、GACC型波長フィルタ120もハイメサ構造以外の構造、例えば図5に示すようなフィルタ上部の隆起部分の両側壁だけにグレーティング170が形成されたリッジ(ridge:隆起)型構造として作製してもよい。また、波長ロック用フィルタとしてリング共振器130を用いた場合でも、GACC型波長フィルタ120をリッジ型構造として作製することも可能である。
In this embodiment, since the
[第2の実施形態]
本発明の第2の実施形態における波長可変半導体レーザの概略構成を図6に示す。図6に示すように、第2の実施形態の波長可変半導体レーザ100は、利得媒質としての利得領域110と、GACC型波長フィルタ120と、波長ロック用フィルタとしてマッハツェンダー干渉計180とを主要部材として構成され、光学的にこの順に直列接続されている。また、波長可変半導体レーザ100の素子は劈開(へき開)により形成された端面102を反射ミラーとしてレーザ共振器を構成している。
[Second Embodiment]
FIG. 6 shows a schematic configuration of a wavelength tunable semiconductor laser according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, the wavelength
図7に第2の実施形態のGACC型波長フィルタ120の構造を概念的に示す。第2の実施形態では、GACC型波長フィルタ120の構成部分では、InP基板701上に1.4Q光導波路層703が積層され、更にその上にGACC型波長フィルタ120の2つの導波路704、705が、基板面内方向に並列に配置され、さらにそれぞれリッジ型構造をとっている。そして、一方の導波路704のリッジ(隆起)部分の両側面には、2つの導波路の等価屈折率から決定される周期Λのグレーティング(回折格子)710が左右対称に形成されている。他方の導波路705のリッジ部分の両側面はグレーティングが形成されていない平らな面となっている。さらに、2つの導波路704,705間に屈折率差をもたらすために、両導波路704,705のリッジ部の幅と高さに、互いに違いを持たせて、導波路704を伝搬する導波モードのプロファイルを異ならせている。
FIG. 7 conceptually shows the structure of the GACC
利得領域110により増幅された光は、GACC型波長フィルタ120の一方の導波路、図7においては右側導波路704に入射する。さらに波長λ近傍の光は周期Λのグレーティング710により左側導波路705に結合し、マッハツェンダー干渉計180の構成領域に伝搬する。
The light amplified by the
さらに、図7におけるGACC型波長フィルタ120の左側導波路705には、屈折率制御用電極140が備えられており、屈折率制御用電極140を介して入力した電流がGACC型波長フィルタ120の左側導波路705に入力されるようになっている。これは、前述したように、屈折率制御用電極140を介して入力する電流値を変化させて、GACC型波長フィルタ120の左側導波路705の屈折率を変化させることにより、このGACC型波長フィルタ120を通過する光の透過ピーク波長を変化させるためである。これにより、第1の実施形態と全く同等な機能を有する波長可変レーザが実現できる。
Further, the
第2の実施形態のGACC型波長フィルタ120では、グレーティング710を一方の導波路704のリッジ部分の側壁に形成したが、リッジ構造をハイメサ構造にしても同様に実現できる。また、グレーティングを導波路の上部表面に形成しても実現可能であり、それを両方の導波路に同時に形成しても実現できる。さらに、2つの導波路の中間にグレーティングを形成してもよい。
In the GACC
また、第2の実施形態では、GACC型波長フィルタ120において、両導波路704、705の光導波路の組成を全く同一にしているが、等価屈折率差を大きくするために異なる組成、例えば1.4Qと1.1Qというような別々の組成で両導波路704、705を作製し、GACC型波長フィルタを実現することも可能である。
In the second embodiment, in the GACC
[第3の実施形態]
本発明の第3の実施形態における波長可変半導体レーザの概略構成を図8に示す。ここで、800は後述のグランド(ground)電極、801はグランド電極800とGACC型波長フィルタ120を接続する配線電線である。また、波長可変半導体レーザ100の素子は劈開(へき開)により形成された端面102を反射ミラーとしてレーザ共振器を構成している。
[Third Embodiment]
FIG. 8 shows a schematic configuration of a wavelength tunable semiconductor laser according to the third embodiment of the present invention. Here,
第3の実施形態の波長可変半導体レーザ100を構成するGACC型波長フィルタ120は、図9で後述するように、上部と下部とに2つの導波路を持つ構造をしているが、その上部の光導波路のコア層を利得媒質にすることにより、レーザ共振器内に別途利得媒質を形成することなしに、すなわち再成長工程をまったく必要とせずに波長可変半導体レーザを実現することを可能としている。
The GACC
図9に実際に作製したGACC型波長フィルタ120の構成部分の素子の断面図を示す。図9に示すように、p−InP基板121上に、p−InPバッファ層122、i-1.3Q組成InGaAsP層(下部光導波路コア層)123、n−InP層(グランド層)124、i-InGaAsP/InP多重量子井戸構造(MQW)の活性層(上部光導波路コア層を兼用)925、p−InP層126、P+−InGaAs層127を予めMOCVD法により成長させた。次に、フォトリソグラフィーとドライエッチングとによりGACC型波長フィルタおよびリング共振器部分を含むハイメサ光導波路構造(図3参照)を一括形成した。その後、上下光導波路925,123の中間に位置するn−InP層124に接続されるグランド電極800をハイメサ構造の側壁から配線電線801を介して形成し、つぎに上部利得媒質925への電流注入用電極140、最後に下部導波路123への屈折率変化用電極910を素子の裏面に形成して完成となる。
FIG. 9 shows a cross-sectional view of the elements of the constituent parts of the actually manufactured GACC
このように構成することにより、GACC型波長フィルタ120の領域は、p・i・n・i・pという逆向きに2つのp・i・nダブルヘテロ接合が形成された構造をもつことになり、上部利得領域導波路925および下部屈折率制御用導波路123が独立に電流制御可能となる。この場合は、下部導波路123の屈折率制御用電極910を介して入力する電流値を変化させ、このGACC型波長フィルタ120を通過する光の透過ピーク波長を変化させることになり、発振波長の波長チューニングを行うことになる。
With this configuration, the region of the
この構造により、高コスト化をもたらしていたMOCVD法による再成長工程、および電子線描画工程が一切省略された波長可変半導体レーザが実現可能となる。 With this structure, it becomes possible to realize a wavelength tunable semiconductor laser in which the regrowth process by the MOCVD method and the electron beam drawing process, which have been costly, are omitted.
第3の実施形態では、基板垂直方向に導波路が積層されたハイメサ構造からなるGACC型波長フィルタを用いているが、これを図5に示したようなリッジ型構造において一方の導波路のコア層を利得媒質にすることによっても、同様な効果が期待できる。また、第2の実施形態の基板面内方向に並列に配置されたGACC型波長フィルタにおいても同様に一方の導波路のコア層を利得媒質にすることにより、再成長工程が省略された波長可変半導体レーザが実現できる。 In the third embodiment, a GACC type wavelength filter having a high mesa structure in which waveguides are stacked in the direction perpendicular to the substrate is used. In the ridge structure as shown in FIG. 5, the core of one waveguide is used. A similar effect can be expected by using a layer as a gain medium. Similarly, in the GACC type wavelength filter arranged in parallel in the in-plane direction of the substrate in the second embodiment, the regrowth process is omitted by using the core layer of one waveguide as a gain medium. A semiconductor laser can be realized.
[第4の実施形態]
図10は本発明の第4の実施形態における波長可変半導体レーザの概略構成を示す。第4の実施形態の波長可変半導体レーザ100では、素子の端面と波長ロック用リング共振器130との間で形成されたレーザ共振器内に位相調整用領域1010が設けられており、この部分の導波路上に屈折率調整用の電極(屈折率制御用電極)1020が設けられている。屈折率調整用の電極1020から配線電線1030を通じて制御電流を位相調整用領域1010に供給することにより、レーザ共振器の縦モードの絶対値と縦モード間隔のずれを補正可能としている。また、波長可変半導体レーザ100の素子は、劈開(へき開)により形成された端面102を反射ミラーとしてレーザ共振器を構成している。
[Fourth Embodiment]
FIG. 10 shows a schematic configuration of a wavelength tunable semiconductor laser according to the fourth embodiment of the present invention. In the wavelength
図1の第1の実施形態の場合では、前述のように波長可変半導体レーザの素子長が約2mmとなっているため、縦モード間隔がおよそ20GHz間隔になっている。したがって縦モードの絶対値あるいは縦モード間隔とリング共振器のFSR:100GHzとがずれると、発振波長が正確には100GHz間隔とはならない問題が生じ、波長ロック用リング共振器のFSRから縦モード間隔の半分を追加した値の周波数精度でしか発振波長を制御できない。このため、第4の実施形態では、上記のように位相調整用領域1010を設けることにより、そのようなレーザ共振器の縦モードの絶対値と縦モード間隔のずれを補正可能としたものである。
In the case of the first embodiment of FIG. 1, since the element length of the wavelength tunable semiconductor laser is about 2 mm as described above, the longitudinal mode interval is about 20 GHz. Therefore, if the absolute value of the longitudinal mode or the longitudinal mode interval deviates from the FSR of the ring resonator: 100 GHz, there is a problem that the oscillation wavelength is not exactly 100 GHz apart, and the longitudinal mode interval is determined from the FSR of the wavelength locking ring resonator. The oscillation wavelength can be controlled only with the frequency accuracy of the value obtained by adding half the value. For this reason, in the fourth embodiment, by providing the
[第5の実施形態]
本発明の第5の実施形態における波長可変半導体レーザの概略構成を図11に示す。第5の実施形態では、利得領域110と、GACC型波長フィルタ120と、波長ロック用リング共振器130と、位相調整領域1110を光学的にこの順に直列的に接続して、波長可変半導体レーザ100を構成している。そして、本実施形態の場合は、リング共振器130と位相調整領域1110とに屈折率変化を起こさせる屈折率制御用電極1130を導波路上に形成している。配線電線1140を通じて屈折率制御用電極1130からの制御電流をリング共振器130、あるいは位相調整領域1110に供給することにより、リング共振器130と位相調整領域1110とに屈折率変化を起こさせ、リング共振器130の共振周波、およびレーザ共振器の縦モード間隔が微調整可能となる。
[Fifth Embodiment]
FIG. 11 shows a schematic configuration of a wavelength tunable semiconductor laser according to the fifth embodiment of the present invention. In the fifth embodiment, the
また、本実施形態の場合には、波長可変半導体レーザの出力端面1150に高反射膜(HR)コート1160を施しており、これにより利得領域110へのより少ない電流注入量で発振可能な低発振閾値化が可能になり、波長可変レーザの低消費電力化が可能になっている。
In the present embodiment, the
[第6の実施形態]
本発明の第6の実施形態における波長可変半導体レーザの概略構成を図12に示す。これまで説明した本発明の第1〜第5の実施形態では、素子は劈開(へき開)により形成された端面102を反射ミラーとして共振器を構成していたが、第6の実施形態の波長可変半導体レーザ100では、図12に示すように、利得領域110と、GACC型波長フィルタ120と、波長ロック用リング共振器130と、位相調整領域1110とが光結合器160を介してリング状に結ばれて、全体でリング共振器構成となっており、さらに別の光結合器1201を介して出力導波路1202に出力光が出射する波長可変リングレーザとなっている。出力導波路1202は、素子の両端面を接続する状態で配置されており、その両端面には一対の無反射(AR)コート1160が施されている。
[Sixth Embodiment]
FIG. 12 shows a schematic configuration of a wavelength tunable semiconductor laser according to the sixth embodiment of the present invention. In the first to fifth embodiments of the present invention described so far, the element constitutes a resonator using the
第6の実施形態は、リングレーザの縦モード間隔が、これまで説明した本発明の第1〜第5の実施形態とは異なって劈開に依存しないため、縦モード間隔を正確に再現性良く設定できる点を特徴としている。 In the sixth embodiment, the longitudinal mode interval of the ring laser is not dependent on cleavage unlike the first to fifth embodiments of the present invention described so far, so the longitudinal mode interval is set accurately and with good reproducibility. It is characterized by what it can do.
図13は、第6の実施形態のGACC型波長フィルタ120とリング共振器130間の導波路の概念を示している。GACC型波長フィルタ120において、上部導波路(上部導波路コア層)125から入力された光のうち、選択した特定の波長のみを下部導波路(下部導波路コア層)123に結合させる機能を持つが、選択されなかった波長の光は、上部導波路125をそのまま伝搬し、意図しない波長でレーザ発振が生じてしまうといった悪影響を与える。そこで、第6の実施形態では、GACC型波長フィルタ120の構成部分の終端位置においてある端面角度でもって、リング共振器130の構成部分での上部導波路125の全てをエッチングにより除去することにより、レーザ共振器130内を非選択光が伝搬しないように構成している。また、このように、GACC型波長フィルタ120とリング共振器130の接続点において、2層導波路125,123から単層導波路123にすることにより、下部導波路123に結合された選択光がリング共振器130において上部導波路125に再結合することが妨げられる。
FIG. 13 shows a concept of a waveguide between the GACC
上記のエッチングは、リング共振器130だけでなく、リング共振器130および位相調整領域1110とした導波路と、光結合器1201と、出力導波路1202とを含む図12において細線で表わした全導波路に施している。また、上記の端面角度は、上部導波路125と空気との境界面において非選択光が空気側に全透過するような角度に設定され、具体的には上部導波路125の等価屈折率と空気の屈折率との屈折率差から求められる。また、その角度を持つ端面は、上部導波路125をエッチングで除去する際に、GACC型波長フィルタ120とリング共振器130との間、および利得領域110と光結合器1201との間にそれぞれ形成される。
The etching described above is performed not only in the
[第7の実施形態]
本発明の第7の実施形態における波長可変半導体レーザの概略構成を図14に示す。第7の実施形態では、図12と同様な構成に加えて、光吸収領域1401、1402を、レーザ共振器内においてGACC型波長フィルタ120とリング共振器130との間、および利得領域110と光結合器1201との間にそれぞれ形成している。これら光吸収領域1401、1402により、GACC型波長フィルタ120において上部導波路125を伝搬する非選択光を消失せしめることが可能となる。
[Seventh Embodiment]
FIG. 14 shows a schematic configuration of a wavelength tunable semiconductor laser according to the seventh embodiment of the present invention. In the seventh embodiment, in addition to the configuration similar to that of FIG. 12, the
光吸収領域1401,1402は、利得媒質領域、すなわち利得領域110とまったく等しい構造の導波路領域を2層導波路構造内の上部導波路(上部導波路コア層)125に設けることにより形成可能である(図9参照)。これは、利得領域110が電流注入を施されないと数百dB/cm程度の伝搬損失をもつ光導波路になるという特徴を利用したものである。
The
さらに、下部導波路(下部導波路コア層)123に結合された選択光が上部導波路125に再結合することを防ぐために、リング共振器130および位相調整領域1110とした導波路と、光結合器1201と、出力導波路1202とを含む図14における細線で図示する全導波路において、上部導波路125がエッチングにより除去される。なお、本実施形態では、光吸収領域1401,1402を有するので、第6の実施形態で図12、図13を用いて説明した端面角度は必ずしも必要としない。
Further, in order to prevent the selective light coupled to the lower waveguide (lower waveguide core layer) 123 from being recoupled to the
[第8の実施形態]
本発明の第8の実施形態における波長可変半導体レーザの概略構成を図15に示す。第8の実施形態では、図12、図14で説明した第6、第7の実施形態と同様に、利得領域110と、GACC型波長フィルタ120と、波長ロック用リング共振器130と、位相調整領域1110とが光結合器160を介して結ばれて、全体でリング共振器構成となっており、さらに別の光結合器1201を介して出力導波路1202に出力光が出射する波長可変リングレーザとなっている。
[Eighth Embodiment]
FIG. 15 shows a schematic configuration of a wavelength tunable semiconductor laser according to the eighth embodiment of the present invention. In the eighth embodiment, similarly to the sixth and seventh embodiments described with reference to FIGS. 12 and 14, the
そして、図15に示すように、出力導波路1202の一方の端部に光強度モニター用の受光素子1501が設けてある。この受光素子1501の電流をディスプレイ装置等(図示しない)でモニターすることにより、一定出力動作することを可能にしている。さらに、出力導波路1202の他方の端部側に、マッハツェンダー型光変調器1502と、この光変調器1502で劣化した光出力を増幅するブースター用の半導体光増幅器(光アンプ)1503が設けられている。また、素子の少なくとも一方の端面には無反射(AR)コート1160を施している。
As shown in FIG. 15, a
マッハツェンダー型光変調器1502はGACC型波長フィルタ120の下部導波路123と同じエピ構成で作製可能なため、モノリシック集積化するのに有利である。もちろん、マッハツェンダー型光変調器1502に代えて、MQW構造を用いた量子閉じ込めシュタルク効果を用いた電界吸収型の光変調器(図示しない)を用いた場合でも、同様のモノリシック集積化効果を得ることができる。このように、本実施形態によれば、光変調器も一体化した高機能な波長可変レーザを作製することが可能となる。
The Mach-Zehnder type
[他の実施の形態]
上記では、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。
[Other embodiments]
In the above, the preferred embodiment of the present invention has been described by way of example. However, the embodiment of the present invention is not limited to the above-described example, and the constituent members thereof are within the scope of the claims. Various modifications such as replacement, change, addition, increase / decrease in number, change in shape design, etc. are all included in the embodiments of the present invention.
例えば、上述の本発明の各実施形態の構成では、InP系の化合物半導体を用いたが、GaAs系やSiとSiO2やポリイミドなどで構成されるシリコン細線導波路を用いた場合でも、利得媒質110をハイブリッド接続すれば、同様に実現できる。 For example, in the configuration of the above-described embodiments of the present invention, but using a compound semiconductor of an InP-based, even when a silicon wire waveguide configured such in GaAs-based or Si and SiO 2 or polyimide, a gain medium If 110 is hybrid-connected, the same can be realized.
また、上述の本発明の各実施形態の構成では、電流注入による屈折率変化を用いたが、電圧や熱や圧力による屈折率変化を用いても、波長可変動作を得ることができる。例えば、GACC型波長フィルタにおいて、2つ以上の導波路のうちで、一方の導波路のコア層を正の屈折率温度係数をもつ材料とし、他方の導波路のコア層を負の屈折率温度係数をもつ材料とすることにより、熱光学効果による屈折率変化の方向を導波路間で異ならせて、波長フィルタの波長可変量を増大せしめることができる。 In the configuration of each of the embodiments of the present invention described above, the refractive index change due to current injection is used. However, the wavelength variable operation can be obtained even when the refractive index change due to voltage, heat, or pressure is used. For example, in the GACC type wavelength filter, of two or more waveguides, the core layer of one waveguide is made of a material having a positive refractive index temperature coefficient, and the core layer of the other waveguide is made a negative refractive index temperature. By using a material having a coefficient, the direction of the refractive index change due to the thermo-optic effect can be made different between the waveguides, and the wavelength variable amount of the wavelength filter can be increased.
また、上述の本発明の各実施形態の構成では、GACC型波長フィルタの側壁にグレーティングが形成されている構成を示しているが、その側壁のグレーティングの振幅、または周期が変調されて形成されているとしてもよい。この場合、側壁のグレーティングが、波長フィルタの中央部で最大の振幅を持ち、かつその周辺部において中央から遠ざかるにしたがって振幅が小さくなるように変調されて形成されているとしてよい。また、その変調の関数として、中央部を最大とするガウス関数、Sinc関数の2乗、三角形関数、ハミング窓関数、ハニング窓関数、変数が−π〜πのSinc関数、変数が0〜πの正弦関数やその2乗のうちのいずれか一つの関数を用いたとしてもよい。あるいは、Sinc関数の負の値に相当する位置でグレーティングの周期が変調されて形成されているとしてもよい。 Further, in the configuration of each embodiment of the present invention described above, a configuration is shown in which a grating is formed on the side wall of the GACC type wavelength filter. However, it is formed by modulating the amplitude or period of the grating on the side wall. It may be. In this case, the grating on the side wall may be formed so as to have a maximum amplitude at the central portion of the wavelength filter and be modulated so that the amplitude decreases as the distance from the center increases. In addition, as a function of the modulation, a Gaussian function that maximizes the central part, a square of the Sinc function, a triangle function, a Hamming window function, a Hanning window function, a Sinc function with a variable of −π to π, and a variable of 0 to π Any one of the sine function and its square may be used. Alternatively, the grating period may be modulated at a position corresponding to the negative value of the Sinc function.
また、本発明におけるGACC型波長フィルタの導波路の数は2個に限定されず、3以上の任意の複数個の導波路を有するGACC型波長フィルタにも同様に適用されることができる。 Further, the number of waveguides of the GACC type wavelength filter in the present invention is not limited to two, and the present invention can be similarly applied to a GACC type wavelength filter having a plurality of arbitrary three or more waveguides.
本発明の波長可変半導体レーザは、従来の波長可変光源と比較して、作製が容易でかつ波長可変制御が簡便である波長多重大容量光通信用光源として提供できるので、光通信の発展に大いに寄与できると期待される。 The wavelength tunable semiconductor laser of the present invention can be provided as a light source for wavelength-multiplexed large-capacity optical communication that is easy to manufacture and simple in wavelength tunable control compared to conventional wavelength tunable light sources. Expected to contribute.
100 波長可変半導体レーザ
101 導波路
102 素子の端面
110 利得領域
115 活性層
120 GACC型波長フィルタ
121 基板
123 下部光導波路コア層(下部光導波路)
125 上部光導波路コア層(上部光導波路)
130 リング共振器(波長ロック用フィルタ)
140 屈折率制御用電極(上部利得領域への電流注入用電極)
141 配線電線
150 出力導波路
160 光結合器
170 グレーティング
180 マッハツェンダー干渉計(波長ロック用フィルタ)
701 基板
703 光導波層
704 右側光導波路(リッジ部)
705 左側光導波路(リッジ部)
710 グレーティング
800 グランド電極
801 配線電線
900 下部利得領域への電流注入用電極
925 活性層
1010 位相調整領域
1020 屈折率制御用電極
1030 配線電線
1110 位相調整領域
1130 屈折率制御用電極
1140 配線電線
1150 出力端面
1160 HRコート
1201 光結合器
1202 出力導波路
1401,1402 光吸収領域
1501 受光素子
1502 マッハツェンダー光変調器
1503 半導体光増幅器
DESCRIPTION OF
125 Upper optical waveguide core layer (upper optical waveguide)
130 Ring resonator (wavelength lock filter)
140 Refractive index control electrode (electrode for current injection into the upper gain region)
141
701
705 Left optical waveguide (ridge)
710
Claims (13)
前記利得領域の出力側に接続して互いに異なる屈折率を有する2つ以上の導波路を備え、かつそれらの導波路のうちで1つ以上の導波路にグレーティング(回折格子)を形成させた構造を有する同方向性光結合器型の波長フィルタと、
前記波長フィルタの前記2つ以上の導波路のうちで少なくとも1つの導波路の屈折率を変化させることにより、該波長フィルタの発振波長を一定周波数間隔で可変にする屈折率制御手段と、
前記波長フィルタの出力側に接続して一定周波数間隔で透過率の変化する波長ロック用フィルタと
を共通の半導体基板上に具備し、
前記波長ロック用フィルタは、前記波長フィルタの前記2つ以上の導波路のうちの少なくとも1つの導波路と等しい導波路構造を備え、
前記波長フィルタは、前記2つ以上の導波路のうちで1つ以上の導波路の側壁にグレーティングを形成させた構造を備えるとともに、前記2つ以上の導波路のうちでいずれか1つの導波路のコア層を前記利得領域の利得媒質とし、残りの導波路のうちで1つの導波路の屈折率を前記屈折率制御手段により変化させることにより、該波長フィルタの発振波長を一定周波数間隔で可変にすることを特徴とする波長可変半導体レーザ。 A gain region of an optical waveguide having a gain medium;
A structure in which two or more waveguides having different refractive indexes are connected to the output side of the gain region, and a grating (diffraction grating) is formed in one or more of the waveguides A directional optical coupler type wavelength filter having:
A refractive index control means for changing an oscillation wavelength of the wavelength filter at a constant frequency interval by changing a refractive index of at least one of the two or more waveguides of the wavelength filter;
A wavelength-locking filter that is connected to the output side of the wavelength filter and whose transmittance changes at a constant frequency interval;
On a common semiconductor substrate ,
The wavelength locking filter has a waveguide structure equal to at least one of the two or more waveguides of the wavelength filter,
The wavelength filter has a structure in which a grating is formed on a side wall of one or more waveguides of the two or more waveguides, and any one of the two or more waveguides. By changing the refractive index of one of the remaining waveguides by the refractive index control means, the oscillation wavelength of the wavelength filter can be varied at constant frequency intervals. A tunable semiconductor laser characterized in that
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